电子显微分析概论

1、第四章电子显微分析(fnx)共三十二页共三十二页发育(fy)中的拟南芥花芽 扫描电子显微镜拍摄，人工上色，萼片( pin)为绿色，花瓣为红色，花药为橙色，柱头未上色。 共三十二页图为西番莲花粉(hufn)的扫描电子显微镜照片 共三十二页4.1 引言 - 电子光学基础4.1.1 分辨本领 1) 人的眼睛仅能分辨0.10.2mm的细节2) 光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。3) 用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不可能的，受光学显微镜分辨本领(或分辨率)的限制。分辨本领 指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物镜(wjng)的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。共三十二页1、光的

2、折射(zhsh)现象及成像原理ABBA.FFL1L2一个物体可看作是由许多物点所组成，每一个物点散射的光经透镜后都会聚(huj)在相应的像点上，许多的像点就构成了物体的像。透镜成像公式：放大倍数：共三十二页2、光的衍射现象(xinxing)和分辨本领的极限由于光的衍射，使得由物平面内的点A 、B在象平面形成一A 、 B圆斑，圆斑由具有一定尺寸的中央亮斑及其周围明暗相间的圆环组成(z chn)，称为埃利斑（Airy斑）。Rn透镜物方介质的折射率照明光波长透镜孔径半角，即入射光束与透镜主轴的夹角； nsin 数值孔径M放大倍数共三十二页图（1）两个Airy斑明显可分辨出。图（2）两个Airy斑刚好

3、可分辨出。图（3）两个Airy斑分辨不出。R将刚好(gngho)可分辨出的两Airy斑中心间距相应于两个物点间距离r0定义为显微镜能分辨出的最小距离，此即透镜的分辨本领。一般来说，孔径(kngjng)角较大时为7075，n约为1.5,则nsin约为1.25-1.35,故：共三十二页波长是透镜分辨率大小的决定因素(yn s)。 透镜的分辨本领主要取决于照明束波长。若用波长最短的可见光(=400nm)作照明源，则 d0=200nm 200nm是光学显微镜分辨本领的极限提高透镜的分辨本领：增大数值孔径是困难的和有限的，唯有寻找比可见光波长更短的光线才能解决这个(zh ge)问题。共三十二页知识(zh

4、 shi)补充2014年诺贝尔化学奖给了三个物理学家：艾力克贝齐格（Eric Betzig）、斯特凡W赫尔（Stefan W. Hell）和WE莫纳（W. E. Moerner），以表彰他们对于(duy)发展超分辨率荧光显微镜做出的卓越贡献。他们的突破性工作使光学显微技术进入了纳米尺度，从而使科学家们能够观察到活细胞中不同分子在纳米尺度上的运动。贝齐格 赫尔 莫纳共三十二页4.1.2 电子束的波长 比可见光波长更短的有： 1）紫外线 会被物体强烈的吸收； 2）X 射线 无法使其会聚 ； 3）电子波 根据德布罗意物质波的假设(jish)，即电子具有微粒性，也具有波动性。电子波 h Plank 常

5、数(chngsh) ， m v 电子速度共三十二页 初速度为0的自由电子从零电位开始运动，因受到加速电压U的作用(zuyng)获得速度为v： 1/2mv2 = eU 当电子速度v 远远小于光速C 时，电子质量m 近似等于电子静止质量m0，由上述两式整理得：电子波长与加速(ji s)电压平方根成反比，即加速(ji s)电压越高，电子波长越短，但当电压很高时，电子质量需引入相对论进行校正。共三十二页 将常数代入上式，并注意到电子电荷 e 的单位为库仑， h的单位为Js，我们将得到： nm 表1 不同加速电压(diny)下的电子波长 加速电压/kV2030501002005001000电子波长/10

6、-3nm8.596.985.363.702.511.420.687一般(ybn)电镜的加速电压为50200KV,100KV以上的为超高压电镜。共三十二页 当加速电压为100kV时，电子束的波长约为可见光波长的十万分之一。因此，若用电子束作照明源，显微镜的分辨本领要高得多。但是，电磁透镜的孔径(kngjng)半角的典型值仅为10-2-10-3rad。如果加速电压为100kV，孔径半角为10-2rad，那么分辨本领为： d0 = 0.613.710-3/10-2 = 0.225 nm共三十二页4.1.3 电磁透镜电镜中用来对电子束聚焦的是电磁透镜，简单的电磁透镜就是(jish)一个通电的短线圈。通

7、电线圈所产生的磁场对电子束有聚焦成像的作用。其焦点(jiodin)f为：式中，V0-电压； R-透镜半径；I-电流；N-线圈匝数； A-与透镜结构有关的比例常数改变电流可以方便调整透镜的焦距，从而使放大倍数发生改变1、电磁透镜的焦距共三十二页电磁透镜结构(jigu)示意图共三十二页 控制电子束的运动在电子光学领域中主要使用电磁透镜装置。但电磁透镜在成像时会产生像差由于透镜物理条件的限制，所成的像会模糊不清或发生畸变，形成的所有缺陷和偏差统称为像差。 像差分为几何像差和色差两类。 几何像差：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的像差。主要指球差和像散。 色差：由于电子波的波长或能量发生一定幅度(f

8、d)的改变而造成的像差。2、电磁透镜的像差与分辨本领共三十二页 透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜的像差有关。 光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等办法来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的影响; 但电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所以(suy)至今还没有找到一种能矫正球差的办法。这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。共三十二页（1）球差即球面像差，是由于电磁透镜的中心区域(qy)和边缘区域(qy)对电子的折射能力不符合预定的规律而造成的。离主轴较远的电子比主轴附近的电子被折射程度要大，当物点P通过透镜成像时，电子就不会聚到同一焦点上，而形成一

9、个散焦斑。共三十二页共三十二页得到的最小散焦斑的半径用Rs表示。若把Rs除以放大倍数，就可以(ky)把其折算到物平面上去，大小为：也就是说，当物平面(pngmin)上两点距离小于2rs时，则透镜不能分辨。rs可通过下式计算：Cs为球差系数，为孔径半角。采用小孔径成像是减少球差的有效途径。共三十二页(2)色差：是由于入射电子(dinz)波长（或能量）的非单一性造成。电子束的能量变化率取决于加速电压的稳定性和电子穿过样品时发生非弹性(tnxng)散射的程度。共三十二页（3）电磁透镜的分辨本领电磁透镜的分辨本领由衍射效应和球面(qimin)像差来决定。 衍射效应对分辨本领的影响： r0=0.61/N

10、sin球差对分辨率的影响：必须确定一个最佳孔径(kngjng)半角，使得衍射效应Airy斑和球差散焦斑尺寸大小相等时，表明两者对透镜分辨本领影响效果一样。目前电镜的最佳分辨本领达到了0.1nm数量级。共三十二页共三十二页3、电磁透镜的景深(jngshn)和焦长电磁透镜的特点(tdin)是景深大（场深），焦长很长。共三十二页透镜的景深是指在保持像清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离(jl)Dr。换言之，在景深范围内，样品位置的变化并不影响物像的清晰度。 从原理上讲，当透镜焦距、像距一定(ydng)时，只有一层样品平面与透镜的理想物平面重合，能在透镜像平面上获得该层平面的理想图象，而偏

11、离理想物平面的物点都存在一定程度的失焦，他们在透镜像平面上将产生具有一定尺寸的失焦圆斑，如果失焦圆斑尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么对透镜像分辨本领并不产生影响。共三十二页Dr与电磁透镜分辨率r0、孔径(kngjng)半角之间的关系： 取 r0=1 nm, =10-210-3rad则 Dr = 2002000nm 试样（薄膜）一般厚200300nm，上述景深范围可保证样品整个厚度(hud)范围内各个结构细节都清晰可见。共三十二页蓝宝石衬底表面形貌观察(gunch) 表面三维岛状结构共三十二页焦长：指物点固定(gdng)不变（物距不变），在保持成像清晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动

12、的距离。 当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定的轴向距离内移动，也会引起失焦。如果失焦尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的轴向距离内移动，对透镜像分辨率并不产生影响。因此(ync)，当用倾斜观察屏观察像时，以及当照相底片不位于观察屏同一像平面时，所拍摄的像也是清晰的。投影仪的投影平面之所以对距离要求不严也是由于焦长很大的缘故。 共三十二页DL与电磁透镜分辨率r0、像点所张的孔径(kngjng)半角之间的关系：其中，M为透镜的放大(fngd)倍数共三十二页4.1.4 电子束与固体(gt)物质间的相互作用电子束与物质(wzh)相互作用产生的信号图共三十二页内容摘要第四章。2、光的衍射现象和分辨本领的极限。B圆斑，圆斑由具有一定尺寸的中央亮斑及其周围明暗相间的。定义为显微镜能分辨出的最小距离，此即透镜的分辨本领。提高透镜的分辨本领：增大数值孔径是困难的和有限的，唯有寻找比可见光波长更短的光线才能解决