第一章3 电子显微镜技术

第三节电子显微镜技术

Electron microscopy

3.1电镜发展历史

1924 年，法国物理学家Broglie 提出了“电子与

光一样，具有波动性“的假说。

1926年德国科学家Busch

1926 年，德国科学家Busch 发现了带电粒子在电

场或磁场中偏转聚焦的现象，类似于光线通过透镜可被聚焦样。由此奠定了电子显微镜的理论基础。可被聚焦一样由此奠定了电子显微镜的理论基础

德国人Ruska 在1938 年成功研制了世界上第一

台真正的电子显微镜，放大倍数为1200 倍。

1939Siemens公司生产了第一台商用的 1939 年，德国Siemens 公司生产了第台商用的透射电镜，分辨率为10nm 。

前高射镜辨率

目前，超高压透射电镜的分辨率可达0.005nm 。

3.2 电镜的电子光学基础

32

电子波的波长

式中：

h为普朗克常数，m为电子的质

为普朗克常数

量；e为电子所带的电荷，V为

加速电压

电子透镜

¾静电浸没电镜(electrostatic immersion lens):静电透镜仅用于使电子枪中的阴极发射出的电子会聚成很细的电子束，而不用来成像。

¾磁透镜：由一对圆柱形的线圈外面包有铁壳组成的。通电流的圆柱形线圈产生旋转对称的磁场空的通电流的圆柱形线圈产生旋转对称的磁场空

间并对电子束有会聚成像的性质。

通电的短线圈使电子做如图4所示的圆锥螺旋近轴运动。一束平行于主轴的入射电子通过电磁透镜将最终会聚于轴线上一点（即焦点）。

带有极靴的磁透镜

(a)结构图(b)磁力线在极靴中行进路线

带有极靴的电磁透镜可使有效磁场集中在沿透镜轴

向几毫米的范围内

向毫的范内

¾磁透镜与光学透镜的比较

物距L 1、象距L 2、焦距f 三者之间满足下述关系式:

光学透镜的焦距f 是不能改变的，要满足成像条件，必须同L L 。

时改变1和2磁透镜的焦距可以通过改变线圈中通过电流的大小来调节。采用磁透镜成像时以在固定的情改变采用磁透镜成像时，可以在固定L 1的情况下，改变f 和L 2来满足成像条件；也可以保持L 2不变，改变f 和L 1来满足成像条件

条件。

¾磁透镜像差及分辨率

即使忽略了电子的衍射效应对成像的影响，电磁透镜也不能把个理想的物点聚焦成个理想的像点。

能把一个理想的物点聚焦成一个理想的像点。

电磁透镜的像差分为几何像差和色差两类。几何像差是因为电磁透镜几何形状上的缺陷造成的，主要有球差和像散；

色差是电子波的波长或能量发生一定幅度的改变引起的。

球差：用小孔径角成像可减小。

像散使用消像散器

像散：使用消像散器。

色差：稳定加速电压、薄样品。

电磁透镜的分辨本领：由衍射效应和球面像差来决定。

磁透镜的孔径半角般在1010rad之间。

磁透镜的孔径半角一般在-2~10-3

¾磁透镜的景深和焦长

与光学透镜相比，电磁透镜具有分辨率高、景深大和焦长大等特点

透镜的景深是指当像平面固

定时（像距不变），在能维

持物象像清晰的条件下允许

物平面（样品）沿透镜主轴

移动的最大距离，用D f表示。

可保证样品整个厚度范围内各

个结构细节都清晰可见。

透镜的焦长是指固定样品的条件下

（物距不变），像平面沿透镜主轴移

动时仍能保证物象清晰的距离范围，

表示

用焦长D L 表示。如果1102d 2000倍则

△r 0=1nm ，α=10-2rad ，M =2000倍，则D L =80cm

电磁透镜的这特点给电子显微

电磁透镜的这一特点给电子显微图象的记录带来了极大的方便。

只要在荧光屏上图象是聚焦清晰

的，那么在荧光屏上或下十几厘

米的地方放置照相底片，所拍摄放照片所拍摄

的图象也将是清晰的。

3.3 电镜的类型

透射式电子显微镜：常用于观察那些用普通显微镜所不能分辨的细微物质结构；

扫描式电子显微镜：主要用于观察固体表面的形貌，也能与X射线衍射仪或电子能谱仪相结合，

线

构成电子微探针，用于物质成分分析；

反射式电子显微镜：用于反射电子表面的研究； 发射式电子显微镜：用于发射电子表面的研究。

3.4.1 透射电镜技术（Transmission Electron 341Transmission Electron Microscope）

以波长极短的电子作为光源，

用镜聚焦成像种高

用电磁透镜聚焦成像的一种高

分辨本领、高放大倍数的电子

光学仪器。它的光路与光学显

微镜相仿。

11.透射电镜工作原理

2第一聚光镜

2.透射式电子显微镜镜筒

第二聚光镜镜筒顶部是电子枪，电子由钨

丝热阴极发射出，通过第一，

丝热阴极发射出，通过第，

第二两个聚光镜使电子束聚焦。

电子束通过样品后由物镜成像

于中间镜上，再通过中间镜和

物镜投影镜逐级放大，成像于荧光

屏。

第一中间镜

第二中间镜

投影镜

照明系统

电子枪是发射电子的照明光源，它实际上是一个由阴极、栅极和阳极组成的静电透镜。

双聚光镜的原理图

电子枪