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1、第二章 电子光学基础,2.1 发展历史2.2 电子光学基础2.3 电子与固体物质的相互作用,1、电子显微镜发展简史,1924年L.De和Broglie发现运动电子具有波粒二象性。1926年Busch发现在轴对称的电磁场中运动的电子有会聚现象。二者结合导致研制电子显微镜的伟大设想。1931年，第一台电镜在德国柏林诞生。至1934年电镜的分辨率可达50nm，1939年德国西门子公司第一台电镜投放市场，分辨率优于10nm。1935年克诺尔（Knoll）提出扫描电镜的工作原理，1938年阿登纳（Ardenne）制造了第一台扫描电镜。,60年代后，电镜开始向高电压、高分辨率发展，100-200kV的电镜
2、逐渐普及，1960年，法国研制了第一台1MV的电镜，1970年又研制出3MV的电镜。70年代后，电镜的点分辨率达0.23nm，晶格（线）分辨率达0.1 nm。同时扫描电镜有了较大的发展，普及程度逐渐超过了透射电镜。近一、二十年，出现了联合透射、扫描，并带有分析附件的分析电镜。电镜控制的计算机化和制样设备的日趋完善，使电镜成为一种既观察图象又测结构，既有显微图象又有各种谱线分析的多功能综合性分析仪器。80年代后，又研制出了扫描隧道电镜和原子力显微镜等新型的显微镜。我国自1958年试制成功第一台电镜以来，电镜的设计、制造和应用曾有相当规模的发展。主要产地有北京和上海。但因某些方面的原因，国产电镜逐
3、渐被进口电镜取代。,电子显微分析是利用聚焦电子束与试样物质相互作用产生的各种物理信号，分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。,包括：用透射电子显微镜进行的透射电子显微分析用扫描电子显微镜进行的扫描电子显微分析用电子探针仪进行的X射线显微分析 电子显微分析是材料科学的重要分析方法之一，与其它的形貌、结构和化学组成分析方法相比具有以下特点：具有在极高放大倍率下直接观察试样的形貌、晶体结构和化学成分。为一种微区分析方法，具有很高的分辨率，成像分辨率达到0.20.3nm（TEM），可直接分辨原子，能进行纳米尺度的晶体结构及化学组成分析。各种仪器日益向多功能、综合性方向发展。,2、电镜的分类 电镜
4、大体可划分为：透射电镜（TEM）扫描电镜（SEM）(ESEM)扫描透射电镜（STEM）扫描探针显微镜（SPM）等,透射电子显微镜,菲利浦公司生产的TECNAI-20,日本电子公司生产的JEM-2010,第一节 电子光学基础,电子光学是研究带电粒子（电子、离子）在电场和磁场中运动，特别是在电场和磁场中偏转、聚焦和成像规律的一门科学。它与几何光学有很多相似之处：（1）几何光学是利用透镜使光线聚焦成像，而电子光学则利用电、磁场使电子束聚焦成像，电、磁场起着透镜的作用。（2）几何光学中，利用旋转对称面作为折射面，而电子光学系统中，是利用旋转对称的电、磁场产生的等位面作为折射面。因此涉及的电子光学主要是
5、研究电子在旋转对称电、磁场中的运动规律。（3）电子光学可仿照几何光学把电子运动轨迹看成射线，并由此引入一系列的集合光学参数来表征电子透镜对于电子射线的聚焦成像作用。,但应注意电镜中的电子光学：（1）是真空中的静场，即电、磁场与时间无关，且处于真空中。（2）入射的电子束轨迹必须满足离轴条件：,一、光学显微镜的局限性,光学显微镜的“分辨本领”是表示一个光学系统刚能清楚地分开两个物点间的最小距离，距离越小，分辨能力越高。阿贝根据衍射理论导出的光学透镜分辨能力的公式：nsina称为数值孔径，用NA表示。由（3）式可知，透镜的分辨率r值与N.A成反比，与 值成正比，r值越小，分辨本领越高。提高分辨率的途
6、径：增加介质的折射率增大物镜的孔径半角采用波长短的光源,当用可见光作光源，采用组合透镜、大的孔径角、高折射率介质浸没物镜时，N.A值可提高到1.6。最佳情况的透镜分辨极限是200nm。要进一步提高显微镜的分辨能力，就必须用更短波长的照明源。X射线波长很短，在0.05-10nm范围，但至今也无法能使之有效聚焦成像。电子束流具有波动性，且波长比可见光短得多。显然，如果用电子束做照明源制成电子显微镜将具有更高的分辨本领。,二、电子的波动性及其波长,1924年，德布罗意提出了运动着的微观粒子也具有波粒二象性的假说。这个物质波的频率和波长与能量和动量之间的关系如下：,由此可得德布罗意波波长：,运动中的电
7、子也必伴随着一个波-电子波。,电子波长与其加速电压平方根成反比，加速电压越高，电子波长越短。,当加速电压较低时，vc(光速)，电子质量近似于静止质量m0，由（6）、（7）式整理得：,一个初速度为零的电子，在电场中从电位为零的点受到电位为V的作用，其获得的动能和运动速度v之间的关系为：,当加速电压较高时，电子运动速度增大，电子质量也随之增大，必须用相对论进行校正：,三、电子在电磁场中的运动和电子透镜,电镜中，用电子枪，发射电子束；用磁透镜做会聚透镜，起成像和放大作用。静电透镜和磁透镜统称电子透镜，它们的结构原理由Husch奠定的。,1.电子在静电场中的运动 电子在静电场中受到电场力的作用将产生加
8、速度。初速度为0的自由电子从零电位到达V电位时，电子的运动速度v为：,即加速电压的大小决定了电子运动的速度。,当电子的初速度不为零、运动方向与电场力方向不一致时，电场力不仅改变电子运动的能量，而且也改变电子的运动方向。如图1：AB上方电位为V1，下方为V2，电子通过V1、V2的界面时，电子的运动方向突变，电子运动的速度从v1变为v2。因为电场力的方向总是指向等电位面的法线，从低电位指向高电位，而在电位面的切线方向的作用力为0。也就是说在该方向的速度分量不变。,由（12）式可见，电子在静电场中运动方式与光的折射现象十分相似，并且当电子从低电位区V1进入高电位区时，折射角,也即电子的运动轨迹趋向于
9、法线。反之电子的轨迹将离开法线。静电透镜 与玻璃的凸透镜可以使光线聚焦成像相似，一定形状的等电位曲面簇，也可以使电子束聚焦成像。产生这种旋转对称等三电位曲面簇的电极装置即为静电透镜。它有二极式和三极式之分。图2为一三极式静电透镜。,3.磁透镜,电荷在磁场中运动时会受到洛仑兹力的作用，其表达式为：,电子所受洛仑兹力的大小为 所以电子在均匀磁场中运动中的受力情况及运动轨迹可分为：,旋转对称的磁场对电子束有聚焦作用，能使电子束聚焦成像。产生这种旋转对称非均匀磁场的线圈装置就是磁透镜。目前电子显微镜中使用的是极靴磁透镜，它是在短线圈、包壳磁透镜的基础上发展而成的。磁透镜的作用使入射电子束聚焦成像。几种
10、磁透镜的作用示意图如下：,磁透镜与静电透镜的比较：磁透镜与静电透镜都可以作会聚透镜，但现代所有的透射电镜除电子光源外都用磁透镜做会聚镜，主要因为：1、磁透镜的焦距可以做得很短，获得高的放大倍数和较小的球差；2、静电透镜要求过高的电压，使仪器的绝缘问题难以解决。,四、电磁透镜的像差和理论分辨本领 要得到清晰且与物体的几何形状相似的图象，必须有：磁场分布是严格轴对称；满足旁轴条件；电子波的波长（速度）相同。但实际上磁透镜和玻璃透镜一样，具有很多缺陷，并不能完全满足上述条件，因此造成像差。像差包括：球差、色差、像散和畸变。,球差 球差是一种几何误差，是镜体的不同部分对电子的有不同的会聚能力引起的。因
11、此从一个物点散射的电子束经过具球差的磁透镜后物象并不会聚一点，而分别会聚于轴向的一定距离上。无论像平面在什么位置，都不能得到清晰的像，而是一个弥散圆斑。在某一位置，可获得最小的弥散圆斑，称为球差最小弥散圆，其半径为：,球差是电子显微镜的最主要的像差之一。它往往决定显微镜的分辨本领。,2.色差 玻璃透镜对不同波长的光具有不同的焦距，磁透镜对不同能量的电子也有不同的会聚能力，这正是引起色差的原因。其效果与球差相似，在轴向距离范围内也存在一个最小的色差弥散圆斑，半径为 rC：,Cc为透镜的色差系数，随激励磁电流增大而减小。引起能量变化的主要原因为：电子加速电压不稳定，引起照明电子束能量的波动。电子与
12、物质相互作用后，电子能量受到损失。,像散 像散是由于透镜磁场不是理想的旋转对称磁场而引起的像差。主要是生产工艺、透镜污染，使透镜磁场不完全旋转对称，而只是近似的双对称场。这样产生在透镜的XZ、YZ两个对称面方向的焦距不同，使物象不能聚焦，形成弥散的椭圆斑，最小的弥散圆斑半径为a：,由于这种像散发生在轴上，因此也称为轴上像散。像散将影响电镜的分辨能力，一般电镜中都有消像散器，可以把像散校正到容许的程度。,4.畸变 球差除了影响透镜分辨本领外，还会引起图形畸变。5.电磁透镜的分辨本领 是电磁透镜的最重要的性能指标，它受衍射效应、球差、色差和像散等因素的影响。电磁透镜的理论分辨本领为：,式中A为常数
13、，0.4-0.5。电磁透镜的理论分辨本领为0.2nm。,五、电磁透镜的场深和焦深 电镜具有场深大、焦深长的特点。所谓场深是指在不影响透镜成像分辨率的前提下，物平面可沿透镜移动的距离。,当r=1nm，a=10-3-10-2 rad时，Df约为200-2000nm，对于加速电压为100kV的电子显微镜，样品厚度一般控制在200nm以下，在透镜场深范围内，试样各部位都能聚焦成像。,所谓焦深是指在不影响透镜成像分辨率的前提下，像平面可沿透镜轴移动的距离。焦深反应了观察屏或照相底板可在像平面上、下沿镜轴移动的距离。,第二节 电子与固体物质的相互作用,一、电子散射当一束聚焦电子束沿一定方向射入试样时，在原
14、子库仑电场作用下，入射电子方向改变，称为散射。原子对电子的散射可分为弹性散射和非弹性散射。在弹性散射过程中，电子只改变方向，而能量基本无损失。在非弹性散射过程中，电子不但改变方向，能量也有不同程度的减少，转变为热、光、X射线和二次电子发射。,原子对电子的散射可分为：原子核对电子的弹性散射原子核对电子的非弹性散射核外电子对入射电子的非弹性散射,二、内层电子激发后的弛豫过程 当内层电子被运动的电子轰击脱离原子后，原子处于高度激发状态，它将跃迁到能量较低的状态，这种过程称为弛豫过程。它可以是辐射跃迁，即特征X射线；也可以是非辐射跃迁，如俄歇电子发射，这些过程都具特征能量，可用来进行成分分析。三、各种
15、电子信号 在电子与固体物质相互作用过程中产生的电子信号，除了二次电子、俄歇电子和特征能量损失电子外，还有背散射电子、透射电子和吸收电子等。,1、背散射电子电子射入试样后，受到原子的弹性和非弹性散射，有一部分电子的总散射角大于90，重新从试样表面逸出，称为背散射电子，这个过程称为背散射。可分为弹性背散射、单次（多次）非弹性背散射。通过接收电子的探测仪，可探测不同能量的电子数目。扫描电镜和电子探针中应用背散射电子成像称为背散射电子像。其分辨率较二次电子像低。,2、透射电子 当试样厚度小于入射电子的穿透深度时，电子从另一表面射出，这样的电子称为透射电子。TEM就是应用透射电子成像的。如果试样只有10
16、-20nm的厚度，则透射电子主要由弹性散射电子组成，成像清晰。如果试样较厚，则透射电子有相当部分是非弹性散射电子，能量低于E0，且是变量，经过磁透镜后，由于色差，影响了成像清晰度。,3、吸收电子 入射电子经过多次非弹性散射后能量损失殆尽，不再产生其它效应，一般被试样吸收，这种电子称为吸收电子。利用测量吸收电子产生的电流，既可以成像，又可以获得不同元素的定性分布情况，它被广泛用于扫描电镜和电子探针中。综上所述，高能电子束照射在试样上将产生各种电子及物理信号。利用这些信号可以进行成像、衍射及微区成分分析。,五、相互作用体积与信号产生的深度和广度,1、相互作用体积 当电子射入试样后，受到原子的弹性、非弹性散射。特别是在许多次的散射后，电子在各个方向散射的几率相等，也即发生漫散射。由于这种扩散过程，电子与物质的相互作用不限于电子入射方向，而是有一定的体积范围，此体积范围称为相互作用体积。,2、各种物理信号产生的深度和广度俄歇电子10nm X射线1um,
