材料电子显微分析技术

Gerd Binnig Ernst Ruska
1/2 of the prize Federal Republic of Germany Fritz-Haber-Institut der Max-PlanckGesellschaft Berlin, Federal Republic of Germany b. 1906 d. 1988
涉及到一个重要的概念：
光学仪器的分辨本领和分辨率
圆孔的夫琅禾费衍射示意图（a）和衍射圆斑（b） 衍射圆斑中以第一暗环为周界的中央亮斑的光强度约占通 过透镜总光强的百分之八十以上，这个中央亮斑被称之为 埃里斑。
显微镜的最小分辨距离由瑞利公式给出：
0.61 r0 n sin
其中：
Δr0：最小可分辨距离； λ： 光源的波长；
正常人眼的分辨能力接近 0.1mm ，但真正要能清楚地区 分两个点，到 0.2mm 足够了。因此普通的光学显微镜有 1000 倍就差不多了，但考虑到人与人之间的差别，一般 光学显微镜的最大放大倍数在1500~2000倍。紫外显微镜 和油浸显微镜的最大放大倍数要大于这个值。
既然是光源的波长限制了显微镜的放大倍 数，那么要造出放大倍数更大的显微镜， 首先应该选择合适的光源，而电子波正是 这样一种理想的光源。
常用TEM的电子波长与加速电压的关系：
加速电压/kV 电子波长/Å
100 0.037
120
200
300
400
0.0335 0.0251 0.0197 0.0164
电子显微镜的定义：
电子显微镜 (electron microscope， EM) 一般是指利用电 磁场偏折、聚焦电子及电子与物质作用所产生散射之原理 来研究物质构造及微细结构的精密仪器。近年来，由於电 子光学的理论及应用发展迅速，此项定义已嫌狭窄，故重 新定义其为一项利用电子与物质作用所产生之讯号来鉴定 微 区 域 晶 体 结 构 (crystal structure ， CS) 、 微 细 组 织 (microstructure， MS) 、 化学成份 (chemical composition， CC) 、 化学键结 (chemical bonding，CB) 和电子分布情况 (electronic structure，ES) 的电子光学装置。 用电子光学仪器研究物质组织、结构、成份的技术称为 电子显微术。
Bruche ： 德 国
通 用 电 气公 司 AEG 的 人 ， 在 他 的领导下，于1930 年开始研究静电透 镜，并于 1931 年 11 月研制成功。
Steenbeck: 助手
1930年到 1933年， Ruska 在西门子公司与 Von Borries 一起 研究引入极靴和投影镜的电子显微镜，得到放大倍数为 12000倍的电镜； 1935年，Knoll在设计透射电镜的同时，提出了扫描电镜 的原理及设计思想； 1936年，Boersch就证明电子束经过磁透镜聚焦以后将在 后透镜的后焦面出现衍射谱，并指出可以用衍射束产生的 暗场像进行图象分析； 1939年Ruska和Von Borries一起为西门子研制出世界上第 一台商业电镜，其分辨率为7nm，放大倍数为30000倍； 1944年，Le Poole在荷兰的Delft大学应用物理实验室中， 通过在电镜中加入衍射透镜（中间镜）和选区光阑，得到 了电子衍射花样；
1949 年， Heidenreich 制成适於 TEM 观察的铝及铝合金 薄膜； 1954 年，在 Ruska 的主持下，西门子公司生产出第一台 带有电子衍射功能的商业电镜Elmiskop；
1955~1956 年 ， 剑 桥 大 学 Cavendish 实 验 室 的 Hirsch ， whelan在透射电子显微镜下观察到位错及位错的运动； 五十年代中期， Hirsch，whelan和Howie为了解释衍射衬 度，提出了衍射衬度的运动学和动力学理论； 1957年，美国 Arizona洲立大学物理系的 Cowley教授等利 用物理光学方法来研究电子与固体的相互作用，并用所谓 “多层法”计算相位衬度随样品厚度、欠焦量的变化，从 而定量解释所观察到的相位衬度像，即所谓高分辨像。 Cowley教授建立和完善了高分辨电子显微学的理论基础； 1971 年， Iijima 等人首次获得了可解释的氧化物晶体的 高分辨电镜像，证实了他们所看到的高分辨像与晶体结构 具有对应关系，是晶体结构沿特定方向的二维投影；
1982年，英国科学家 Klug利用高分辨电子显微技术，研 究了生物蛋白质复合体的晶体结构，因而获得了诺贝尔化 学奖；
1984年，美国国家标准局的 Shechtman等科学家、中科院 沈阳金属所的郭可信教授等，利用透射电子显微技术，发 现了具有5次、8次、10 次，及12 次对称性的新的有序结构--- 准晶体，极大地丰富了材料、晶体学、凝聚态物理研究 的内涵； 1991年，日本的Iijima 教授利用高分辨电子显微镜研究电 弧放电阴极产物时，发现了直径仅几十纳米的碳纳米管； 透射电子显微镜的最新进展：为了提高透射电子显微镜 的分辨率，九十年代以前，主要是用提高电压的办法；九 十年代以后，随着球差校正器和色差校正器的出现，倾向 于在中低电压下实现高的空间分辨率和能量分辨量。到目 前为止，商业电镜的空间分辨力达到了点分辨 0.07nm ，能 量分辨率为 0.1~0.2eV ，电子束斑的大小与点分辨率接近； 在实验室水平，点分辨率已经达到0.05nm。
From：苏玉长老师课件
电子显微学的含义：
样品在高能电子束照射下，电子束与样品中 的原子相互作用后形成透射电子、背反射电子， 此外，还激活原子内层电子，使样品释放不同 信号，这些信号携带了原子内部信息。收集、 测定和分析从样品局部区域出来的这些信号， 并给出样品内局部信息的学说和技术，以及在 材料科学、凝聚态物理、化学和生命科学中的 应用，构成电子显微学的全部内容。
材料电子Βιβλιοθήκη Baidu微分析技术这门课程研究的内 容是与电子显微镜有关的科学和技术。所 以我们首先要搞清楚什么是电子显微镜？
它是怎样发展起来的？为什么要发展这样 一种仪器？它有哪些优缺点？电子显微镜 的发展过程及其最新进展如何？
什么是显微镜？
显微镜是用于放大微小物体成为人的肉 眼所能看到的仪器 。 显微镜是一种借助物理方法产生物体放
1/4 of the prize
Heinrich Rohrer
1/4 of the prize
Switzerland IBM Zurich Research Laboratory Rü schlikon, Switzerland
Federal Republic of Germany IBM Zurich Research Laboratory Rü schlikon, Switzerland b. 1947
n： 物点和透镜之间的折射率；
α： 孔径半角，即透镜对物点的张角的一半；nsinα 称为数值孔径，用N.A表示。
α
孔径半角示意图
0.61 r0 n sin
从上面的公式可以看出，显微镜的分辨本领与人的眼睛 和其它记录装置没有任何关系。而仅仅取决于公式中的 三个参数，对于光学显微镜而言，孔径半角一般最大可 以做到70~75◦，n的值也不可能很大，因此有的书上将分 辨率写成不成超过所用光源波长的二分之一。光学显微 镜中，可见光的波长在 390~760nm 之间，因此我们认为 普通光学显微镜的分辨率不会超过200nm（0.2μm）。
1927年，美国科学家Davisson和Germer用电子衍射（低能 电子衍射）的方法证实了电子的波动性；同年，G.P.汤姆生 (G.P.Thomson,1892—1970) 用高速电子获得多晶电子衍射花 样；
1928年开始，Ruska在Knoll的指导下，在柏林工学院的高 压电机系，做副博士论文时，开始阴极射线的聚焦研究。
b. 1933
与扫描电镜发展有关的资料
1935年，Knoll在设计透射电镜的同时，提出了扫描电镜 的原理及设计思想； 1940年英国剑桥大学首次试制成功扫描电镜。但由于分 辨率很差、照相时间过长,因此没有立即进入实用阶段； 1965年英国剑桥科学仪器有限公司开始生产商业扫描电 镜； 1982年，瑞士IBM公司的G. Binning, H. Rohrer等人发明了 扫描隧道显微镜（STM）； 80 年代以后，扫描电镜的制造技术和成像水平提高很快， 目前高分辨型扫描电镜（如日立公司的 S-5000 型）使用冷 场发射电子枪，分辨率已达 0.6nm ，放大率达 80 万倍。
从 1928 年到 1931 年， Ruska 先后制作出 13 倍（单磁透镜聚焦） 和 1714 倍（双磁透 镜聚焦）的电子显 微镜。
Knoll ： 1931年的6月4号，
作《阴极射线示波器的设 计及新结构的原理》。
Rudenberg:
Ruska：攻读副博士学位
的学生。
柏林工 学院高压电机系教授， 西门子公司科技部总 工程师；
大影象的仪器
单式显微镜（只有一个透镜）：如放大镜等； 复式显微镜（有物镜和目镜）：如我们现在比 较熟悉的显微镜。
a
a) 第一台显微镜（詹森显微镜） b) 列文.虎克显微镜(十七世纪中叶) c) 十九世纪的显微镜 d) 现代的显微镜
b
c
d
问题：大家用过的光学显微镜中，最大可以 放大到多少倍？
从理论上来讲，只要我们愿意，我们可以通 过增加透镜等方法使光学显微镜的放大倍数达 到无穷大，这在工艺上没有任何问题，但为什 么不这样做？
中南大学
材料结构分析
材料科学与工程学院 艾 延 龄 E-mail: ylai@mail.csu.edu.cn
中南大学
材料电子显微分析技术
绪论
材料科学与工程学院 艾 延 龄 E-mail: ylai@mail.csu.edu.cn
主要参考书目





陈世朴，王永瑞.《金属电子显微分析》，机械工业出版社，1982 周玉，武高辉 .《材料分析测试技术——材料X 射线衍射与电子显微 分析》，哈尔滨工业大学出版社，1998 刘文西,陈玉如.《材料结构电子显微分析》，天津大学出版社 1989 郭可信，叶恒强，吴玉昆.《电子衍射图在材料科学中的应用》，科 学出版社 1983 黄孝瑛.《透射电子显微学》，上海科学技术出版社，1980 郭可信、叶恒强.《高分辨电子显微学在固体科学中的应用》，科学 出版社 1985 进藤大辅，平贺贤二 著，刘安生 译.《材料评价的高分辨电子显 微方法》，冶金工业出版社 1998 David B. Williams and C. Barry Carter. Transmission Electron Microscopy. Plenum Press, New York, 1996
本课程的几个概念
电子显微镜(Electron Microscope)
透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope) 扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope)
电子显微学(Electron Microscopy)
透射电子显微学(Transmission Electron Microscopy)
1946年，Boersch在研究电子与原子的相互作用时提出， 原子会对电子波进行调制，改变电子的相位。他认为利用 电子的相位变化，有可能观察到单个原子，分析固体中原 子的排列方式。这一理论实际上成为现代实验高分辨电子 显微分析方法的理论依据；
1947 年，德国科学家 Scherzer 提出，磁透镜的欠聚焦 （即所谓的 Scherzer 最佳聚焦，而非通常的高斯正焦）能 够补偿因透镜缺陷（球差）引起的相位差，从而可显著提 高电子显微镜的空间分辨率；
The Nobel Prize in Physics 1986
"for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope"
for their design of the scanning tunneling microscope"
From：贺连龙老师课件
电镜发明以前与电子波有关的一些事件：
1858年，德国科学家在利用放电管研究气体放电时发现 了阴极射线； 1897年，J. J. Thomson证实了阴极射线是由带负电的粒子 组成，这种粒子就是电子； 1924年，德布罗意发表有关电子波粒二象性的论文； 1926年，H. Busch证实了电子能在非均匀电磁场中聚焦；