现代光学导论第三次2014课件

观察微观世界的重要工具最早的巨型电子显微镜电子流波长很短（100000×）（ErnstRuska）20C30s内容回顾

国内外发展状况Contents

常规TEM（120kV）Contents扫描电子显微镜公司名称透射电镜型号加速电压分辨率日本电子（JEOL）JEM140040kV-120kV0.2nmJEM2100F200kV0.19nmJEM-1000kRS1000kV0.1nm日本日立（HITACHI）H-765040kV-120kV0.2nmHF-3300300kV0.19nm美国FEITecnaiG20200kV0.19nmTecnaiG2F30300kV0.2nm德国蔡司（CarlZeiss

）LIBRA12040kV-120kV0.34nmLIBRA200FE200kV0.24nm中科科仪（KYKY）DX-4（停产）100kV0.3nm上海光学技术研究所DXT-100A(停产)100kV1nm北京航空航天大学TDX-200F200kV0.25nm成像系统TEM模式衍射模式物镜第一中间镜第二中间镜投影镜200kV场发射透射电子显微镜

参考报价

元USD(美元)型号

JSM-2100F品牌

日本电子产地

日本技术参数：

1.点分辨率：0.19nm

2.线分辨率：0.14nm

3.加速电压：80,100,120,160,200kV

4.倾斜角：25

5.STEM分辨率：0.20nm

高速分析热场发射扫描电子显微镜

参考报价

400000元USD(美元)型号

JSM-7001F品牌

日本电子产地

日本技术参数：

1.分辨率：1.2nm(30kV)/3.0nm(1kV)

2.加速电压：0.2KV-30kV

3.放大倍数：10-100万倍

4.大束流高分辨5nA，WD10mm;15kV时分辨率3.0nm

5.束流强度：1pA到200nA(15KV)

FIB-SEM双束设备球面像差彗形像差像散像场弯曲畸变像差单色像差色像差像差分类像差：任何偏离理想成像的现象球面像差、彗形像差：大孔径成像。像散、像场弯曲、畸变：大视场成像。球差、彗差、像散：破坏光束同心性像场弯曲：使像平面弯曲像散：破坏物像相似性单色像差影响：2彗形像差（彗差）傍轴物点发出的宽光束经球面系统在像平面上形成彗星状的像斑。经过光瞳面上各个圆周的光线在像平面上仍将落在一系列圆周上，不过这些圆周不再是同心圆，半径愈大的圆，其中心离理想像点愈远，形成如彗星状光斑。3像散和像场弯曲物点远离光轴，光束大倾角入射引起像散：出射光束截面一般为椭圆；形成两互相垂直散焦线，子午焦线和弧矢焦线子午焦线和弧矢焦线之间，光束存在一个圆截面，称为最小模糊圆，是放置接收器的最佳位置。像场弯曲物平面4畸变不破坏光束同心性，因此不影响像的清晰度，但使物像各部分比例失调。物枕形畸变桶形畸变畸变与孔径光阑位置有关畸变（电子光学）物离轴很远，透镜的放大率不均匀，畸变不会引起像的不清晰，只造成图像的失真。色差消除：使用不同材料做成的凹凸透镜胶合起来可以对选定的两种波长消除色差。大小不同－横向色差。位置不同－轴向色差；位置色差放大率色差透镜的机械像差（1）电极电位扰动为：

引入变量

微分方程：

边界条件：

扰动电极上

其他电极上

非对中和倾斜将会引起束的偏移和彗差，椭圆变形将会引起像散。提高加工和装配的精度减小机械变形引起的像差，还应采用非对称场进行校正。空间电荷像差离子之间的库仑力作用简单模型下单位时间单位体积中全部离子能量分布的扩展为：为离子密度，为初始速度，为离子的电荷，为离子质量，为热力学系数，初始振动周期，为离子间为碰撞后散射偏转角等于的瞄准距离。

的平均距离，

离子间的库仑力主要集中在源发射区域附近和聚焦系统中，一般采用蒙那卡罗方法模拟仿真，库仑作用引起的像差主要包括四种：球差、轨迹偏移、散焦以及色差，其中色差方面的像差跟热初速有关，与源的参数关系最为密切，不能消除。

谢尔赤原理“在静的旋转对称、无空间电荷的透镜成像系统中，球差系数恒大于零”。球差是轴上唯一不等于零的几何像差，对束的质量影响很大；“在静的旋转对称、无空间电荷的透镜成像系统中，色差系数恒大于零”。球差系数和色差系数作为透镜优化的目标。实用电磁场的求解方法解析法、数值计算法和试验测量法

解析法—电（磁）极形状较简单，定性分析特定场的性质，其它方法误差计算的理论依据。数值计算法—精度高，成为目前最常用的方法，新的学科“计算电磁学”。实验测量法—方便可靠、实用性，上个世纪中叶计算场分布的主要手段，缺点精度低。电子光学系统的参数求解场分布－有限元素法和电荷密度法轨迹的求解－龙格-库塔法光学参量的求解－公式法、实际轨迹法和自动微分法

自动微分算法中，向量同时包含函数值和各阶导数值，在求函数值的同时可自动求出任意阶导数；它能将函数求导运算转换为微分向量的代数运算，而没有算法误差。所以自动微分法轨迹追踪的同时能得到各阶像差系数，理论上消除了公式法计算光学参量时由高斯轨迹取代实际轨迹引进的偏差。

计算电磁学仿真方法—有限差分法、有限元素法、边界元法和傅立叶展开法

仿真软件—ANSYS、ANSOFT、ADINA、ABAQUS、MSC和MEBS

设计一款TEM-分辨率0.25nm，加速电压200Kv物镜电子枪照明系统成像系统内容回顾极限分辨率和点分辨率非相干照明—样品两点发射的电子波互不干涉无重原子的薄样品，Scherzer最佳欠焦量条件下“直观像”

物镜球差系数1.38mm，最佳角8.49mrad。像差系数分清物方和像方艾里斑半径和球差斑半径：电子波长的计算当速度u与光速c可比时为:MEBS程序示例采用有限元法计算的场分布单位：mm物镜的优化设计

磁透镜的一般结构：极靴参数S/D的选择：极靴参数S/D的选择：S/D=1.8时，球差和色差对透镜的影响最小材料的选择：

物镜加工材料的选择，极靴部分采用1J22铁钴合金，其它磁路部分采用DT4C电工纯铁。1J22:BS=2.4TDT4C:BS=1.6T物镜的关键参数：下极靴第一锥角

下极靴第一锥角的选择：下极靴第一锥角的选择：物镜结构：物镜轴上磁场分布：物镜极靴和磁路上磁场分布：物镜光学特性：物镜的激励像平面位置物镜的光学特性参数透镜激励透镜中心主平面物方焦点焦距大小像平面放大倍率球差系数理论点分辨率优化目标分辨率9926.1700633.02mm634.7582mm632.9558mm1.8023mm809.4947mm96.565×1.25mm0.247nm0.25nm48物镜极靴设计图结构仿真受力仿真压力3500N自重底面支撑有限元模型及载荷边界条件变形云图52透镜实物高亮度电子枪的设计实现电子枪的工作机理电子枪的基本参数电子枪的计算仿真与设计一、电子枪的发射机理1A热发射—高温钨灯丝阴极2B场发射—105V/cm，肖特基效应3C量子隧道效应-STM4场发射分类发射体前电子的势能曲线V(z)，

外加电场-eIEIz。第1种第2种第3种冷场

(ColdFieldEmission,CFE)热发射(ThermalFieldEmission,TF)肖特基(SchottkyEmission,SE)肖特基热发射阴极（单晶六硼化镧或者ZrO/W)为小于1μm，冷场发射阴极小于100nm，热场发射阴极在100nm到1μm之间

六硼化镧灯丝钨灯丝场发射灯丝电子枪与灯丝二、电子枪工作参数束流密度亮度发散角交叉斑直径寿命束流密度单位时间单位面积内的通过的电荷量称为束流密度。n——电子数目；e——电子电荷量；v——电子的运动速度；亮度电子枪发射的每单位立体角的电流密度称为亮度。亮度的理论值为：影响亮度的因素：偏压灯丝温度结构热发射电子枪灯丝：高熔点，低逸出功Wu4.5eVLaB63.0eV场发射电子枪束斑大小冷场发射电子枪钨灯丝枪(W)六硼化镧灯丝枪(LaB6)肖脱基热场发射电子枪

2300℃

1800℃

1800℃

室温

≤2.0eV

≤1.5eV

≤0.8eV

≤0.2eV

5x105

A/cm2sr

5x106

A/cm2sr

5x108

A/cm2sr

2x109A/cm2sr

≤100小时

500–1000小时

6–8月

≥2年

uA

50

uA

50

uA

100

nA

连续激活

每天一次

工作温度能量发散度亮度灯丝寿命总束流枪尖激活

类别钨灯丝LaB6场发射枪逸出功（eV）4.52.44.5工作温度(K)27001700300电流密度（A/m2）5x1041061010交叉斑直径（μm）5010<0.01能量散度(eV)31.50.3发射电流稳定度(%/小时)<1<15真空度（Pa）10-210-410-8寿命(小时)100500>1000各种电子枪的性能对比(100kV)电子枪结构栅极和灯丝组件高压瓷瓶栅极和灯丝组件高压瓷瓶栅极帽的不同结构形式三、电子枪的计算仿真与设计目标：加速电压200kV，要求发射束流为80μA，束斑直径78nm。电子源的设计采用专用软件进行理论计算和优化设计。用有限元方法进行模拟，最大网格和最小网格相差几十万倍（阴极网格是亚微米级，组件宏观尺寸是几十毫米），完成了大量的数据文件程序编写。a)场发射电子枪进行电子光学计算和设计-光路设计发射阴极网格设计发射源网格设计发射源程序粗网格输出发射源程序细网格输出a)场发射电子枪进行电子光学计算和设计—网格设计电子束轨迹-程序输出场发射枪电子光学光路-网格设计图a)场发射电子枪进行电子光学计算和设计—场计算a)场发射电子枪电子光学计算—发射尖端ZrO/W(100)Schottky发射尖的腐蚀;ZrO/W(100)Schottky组装；场发射电子源测试。b）场发射电子源材料特殊，加工精度、装配精度都非常高，部分精度到微米级a)场发射电子枪设计核心组件—场发射枪组件场发射枪组件装配、调节装置（在显微镜下安装、调节、粘接）a)场发射电子枪设计核心组件—枪组件装配、调节装置枪组件要求耐高温、高压，极间连接件材料硬度极高，刚性强，表面光洁度要求也很高，加工难度大，通过各种实验，确定材料。a)场发射电子枪设计核心组件—做实验，确定特殊材料场发射枪零件的小孔、平面等精度要求很高，加工要求高。a)场发射电子枪设计制造

a)