第二篇8-电子光学基础课件.ppt

1、Dept.of MSE,CQU1材料现代测试方法 电子光学基础Dept.of MSE,CQU2本章主要内容材料现代测试方法 电子光学基础8.1 光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性8.2 提高显微镜分辨率的有效途径提高显微镜分辨率的有效途径8.3 电磁透镜电磁透镜Dept.of MSE,CQU38.1 光学显微镜的局限性材料现代测试方法 电子光学基础v 显微镜的分辨率及其影响因素n 显微镜的分辨率是指显微镜显微镜的分辨率是指显微镜分辨相邻两个物点的能力分辨相邻两个物点的能力，通常是用显微镜通常是用显微镜能分辨的两个物点的最小距离能分辨的两个物点的最小距离来表示。来表示。显微镜能分辨的两个物点的

2、距离赿小，说明显微镜的分显微镜能分辨的两个物点的距离赿小，说明显微镜的分辨率赿高。辨率赿高。n 显微镜的分辨率主要显微镜的分辨率主要取决于物镜的分辨率取决于物镜的分辨率。因为如果。因为如果在物镜形成的像中两个物点未被分开，则无论用多大倍在物镜形成的像中两个物点未被分开，则无论用多大倍数的目镜或投影，也不可能把这两个物点分开。数的目镜或投影，也不可能把这两个物点分开。Dept.of MSE,CQU4材料现代测试方法 电子光学基础n 光学透镜的分辨率可用光学透镜的分辨率可用阿贝阿贝(Abbe)公式公式来计算：来计算：sin61.0nr 物镜物镜试样试样r 能够分辨的两个物点的最小距离；能够分辨的两

3、个物点的最小距离；照明光源的波长照明光源的波长(nm)；n 物镜与试样之间的介质的折射率；物镜与试样之间的介质的折射率；为孔径半角为孔径半角(o)。习惯上将。习惯上将nsin称为数值孔径，并用称为数值孔径，并用N.A表示。表示。孔径角孔径角透镜的直径对透镜主轴与物平面交点所张的角透镜的直径对透镜主轴与物平面交点所张的角Dept.of MSE,CQU5材料现代测试方法 电子光学基础sin61.0nr 由上式可看出，显微镜的分辨率主要取决于三个因素：由上式可看出，显微镜的分辨率主要取决于三个因素：(1)照明光源的波长照明光源的波长；(2)物镜与试样之间的介质的折射率物镜与试样之间的介质的折射率；(

4、3)物镜的孔径半角物镜的孔径半角。照明光源的波长赿短，介质折射率赿大，物镜的孔径半照明光源的波长赿短，介质折射率赿大，物镜的孔径半角赿大，则显微镜的分辨率赿高。角赿大，则显微镜的分辨率赿高。Dept.of MSE,CQU6 空气中空气中(n=1)，则，则rmin=250.1nm材料现代测试方法 电子光学基础v 光学显微镜的极限分辨率nmr1.22472sin66.15806.0onmr7.15072sin66.13906.0o 光学显微镜采用可见光光学显微镜采用可见光(一般是白光一般是白光)作为光源，其波长作为光源，其波长在在390nm770nm之间，平均波长为之间，平均波长为580nm。目前

5、可能得到的。目前可能得到的折射率最大的介质是溴萘，其折射为折射率最大的介质是溴萘，其折射为1.66。光学透镜的最大。光学透镜的最大孔径半角为孔径半角为72。如果按可见光的平均波长计算，光学显微。如果按可见光的平均波长计算，光学显微镜的分辨率为：镜的分辨率为：空气中空气中(n=1)，则，则r=372nm 如果按可见光的最短波长如果按可见光的最短波长390nm计算，光学显微镜的极计算，光学显微镜的极限分辨率为：限分辨率为：Dept.of MSE,CQU7材料现代测试方法 电子光学基础n 以上计算结果表明，光学显微镜在最佳条件下也只能以上计算结果表明，光学显微镜在最佳条件下也只能分辨距离大于分辨距离

6、大于0.15m的物点。的物点。n 如果两个物点的距离小于如果两个物点的距离小于0.15m，光学显微镜则无法，光学显微镜则无法分辨。因此，用光学显微镜无法进行超显微结构和微观分辨。因此，用光学显微镜无法进行超显微结构和微观结构研究。结构研究。显微结构显微结构超显微结构超显微结构或亚显微结构或亚显微结构微观结构微观结构1000.2m0.20.01m0.01mDept.of MSE,CQU8材料现代测试方法 电子光学基础8.2 提高显微镜分辨率的有效途径n根据阿贝公式，提高显微镜的根据阿贝公式，提高显微镜的 分辨率的可能途径有：分辨率的可能途径有：(1)提高介质折射率提高介质折射率n；(2)增大透镜

7、的孔径半角增大透镜的孔径半角;(3)采用波长较短的射线作光源采用波长较短的射线作光源sin61.0nr n 但是，介质折射率和透镜孔径半角都不可能有大的提但是，介质折射率和透镜孔径半角都不可能有大的提高。因此要提高显微镜的分辨率唯一有效的途径是高。因此要提高显微镜的分辨率唯一有效的途径是采用采用波长比可见光更短的射线作光源波长比可见光更短的射线作光源。Dept.of MSE,CQU9材料现代测试方法 电子光学基础v 德布罗意的波粒二象性的假说 随着人们对微观粒子运动的深入认识，用于显微镜随着人们对微观粒子运动的深入认识，用于显微镜的一种新的照明源的一种新的照明源 电子束被发现了。电子束被发现了

8、。1924年，德布罗意年，德布罗意(De Broglie)在光有波粒二象性的在光有波粒二象性的启发下，提出了运动着的微观粒子启发下，提出了运动着的微观粒子(如电子、中子、离子如电子、中子、离子等等)都具有波粒二象性的假说：都具有波粒二象性的假说：任何运动着的微观粒子都任何运动着的微观粒子都伴随有一个波。这个波的波长伴随有一个波。这个波的波长和粒子的质量和粒子的质量m，运动速，运动速度度v之间有一简单的关系：之间有一简单的关系：mvhDept.of MSE,CQU10材料现代测试方法 电子光学基础 德布罗意的假说给人们开发利用电子光源提供了德布罗意的假说给人们开发利用电子光源提供了重要依据。不过

9、，要把电子束用作显微镜的光源还重要依据。不过，要把电子束用作显微镜的光源还需要解决需要解决电子束的聚焦、放大、成像电子束的聚焦、放大、成像等问题。等问题。Dept.of MSE,CQU11材料现代测试方法 电子光学基础v 影响电子波长的主要因素 根据德布罗意公式，电子的波长根据德布罗意公式，电子的波长与电子的质量与电子的质量m和和运动速度运动速度v有如下关系有如下关系:mvh(1)一个电子在电位差为一个电子在电位差为V的真空中加速所获得的能量为的真空中加速所获得的能量为eV，这个能量是全部转化为动能的。根据能量守恒定律，这个能量是全部转化为动能的。根据能量守恒定律，有有:221eVmv(2)D

10、ept.of MSE,CQU12材料现代测试方法 电子光学基础由由(2)式可得：式可得：将将(3)式代入式代入(1)式，可得式，可得:meV2(3)(4)emVh2 当加速电压较低时，电子的运动速度较小，其质量与当加速电压较低时，电子的运动速度较小，其质量与静止质量静止质量m0近乎相等，近乎相等，mm0，将，将h=6.62610-34JS，e=1.60210-19C，m0=9.10910-31kg代入代入(4)式，可求得式，可求得V25.12(5)Dept.of MSE,CQU13材料现代测试方法 电子光学基础 从从(5)式可见，影响电子波长的主要因素是加速电压，式可见，影响电子波长的主要因素

11、是加速电压，加速电压赿高，电子的波长赿短加速电压赿高，电子的波长赿短。因此，可以通过改变。因此，可以通过改变加速电压的方式来改变电子的波长，调节电子显微镜的加速电压的方式来改变电子的波长，调节电子显微镜的分辨率。分辨率。在电子显微镜中，加速电压一般均较高在电子显微镜中，加速电压一般均较高(在几十千伏在几十千伏以上以上)，电子运动的速度较大，电子的质量也随之增大，电子运动的速度较大，电子的质量也随之增大，因此需要根据相对论进行校正。校正后的电子波长为因此需要根据相对论进行校正。校正后的电子波长为(6)21(2200cmeVVemhDept.of MSE,CQU14材料现代测试方法 电子光学基础

12、式中的式中的C为光速，为光速，C=3.00108ms-1。将。将h、e、m0、C代入代入(6)式，可求得式，可求得:)109785.01(25.1216VV(7)Dept.of MSE,CQU15材料现代测试方法 电子光学基础不同加速电压下的电子波长Dept.of MSE,CQU168.3 电磁透镜材料现代测试方法 电子光学基础 光学显微镜是利用玻璃透镜使可见光聚焦、成像光学显微镜是利用玻璃透镜使可见光聚焦、成像的，那么，电子显微镜是如何使电子聚焦、成像的的，那么，电子显微镜是如何使电子聚焦、成像的呢？呢？在电子显微镜中，使电子聚焦成像的装置称为在电子显微镜中，使电子聚焦成像的装置称为电子透镜

13、。常见的电子显微镜中一般是采用磁场来电子透镜。常见的电子显微镜中一般是采用磁场来使电子波聚焦成像，相应的装置称为使电子波聚焦成像，相应的装置称为电磁透镜电磁透镜。Dept.of MSE,CQU17材料现代测试方法 电子光学基础v 电磁透镜的聚焦原理n 电磁透镜实质上就是能够产电磁透镜实质上就是能够产生生旋转对称磁场旋转对称磁场的线圈，一般的线圈，一般是短线圈。为了使线圈产生的是短线圈。为了使线圈产生的磁场更为集中，往往还用一层磁场更为集中，往往还用一层软铁把短线圈包封起来，。有软铁把短线圈包封起来，。有些在包壳磁透镜的基础上再加些在包壳磁透镜的基础上再加极靴，其目的都是为了使磁场极靴，其目的都

14、是为了使磁场更为集中，增强对电子的折射更为集中，增强对电子的折射能力。能力。Dept.of MSE,CQU18材料现代测试方法 电子光学基础n 这种短线圈产生的磁场是一种非匀强磁场。当电子通这种短线圈产生的磁场是一种非匀强磁场。当电子通过磁透镜时，电子会受到磁力的作用发生偏转。在磁透过磁透镜时，电子会受到磁力的作用发生偏转。在磁透镜轴上的某点镜轴上的某点a a散射出来的电子，通过磁透镜后也能会散射出来的电子，通过磁透镜后也能会聚于轴上一点聚于轴上一点aa，从而获得物点，从而获得物点a a的像，如下图所示。的像，如下图所示。OOzAC电子在磁透镜中的运动轨迹Dept.of MSE,CQU19材料

15、现代测试方法 电子光学基础OOArvvCzvrA点位置的B 和v的分解情况Dept.of MSE,CQU20电子在磁场中要受到磁场作用力：电子在磁场中要受到磁场作用力：)(BvFe即即)sin(BvevBF)(zreBvF)(rzeBvF圆周运动1221vFFF切向运动)(rrvFBv向轴运动 在在C处有一离心作用力，可以抵消与处有一离心作用力，可以抵消与A点相当的向轴作用力，点相当的向轴作用力，但但A、C中心处特别大的向轴力是抵不掉的，电子继续向轴偏中心处特别大的向轴力是抵不掉的，电子继续向轴偏转。出磁场后又是直线运动。转。出磁场后又是直线运动。Dept.of MSE,CQU21材料现代测试

16、方法 电子光学基础O象物Oba象物平行光轴电子束经透镜成象的情况（a b 为磁场作用区域）所有从同一点出发的不同方向的电子，经透镜作用后，交所有从同一点出发的不同方向的电子，经透镜作用后，交于于象平面象平面同一点，构成相应的象。同一点，构成相应的象。从不同物点出发的同方向同相位的电子，经透镜作用后，从不同物点出发的同方向同相位的电子，经透镜作用后，会聚于会聚于焦平面焦平面上一点，构成与试样相对应的散射花样。上一点，构成与试样相对应的散射花样。Dept.of MSE,CQU22材料现代测试方法 电子光学基础v 电磁透镜的像差与分辨率n 电磁透镜也存在缺陷，使其在成像时会产生电磁透镜也存在缺陷，使

17、其在成像时会产生像差像差。因此，其实际分辨距离远小于理论分辨距离。因此，其实际分辨距离远小于理论分辨距离。n像差分为几何像差和色差两类。像差分为几何像差和色差两类。p几何像差几何像差：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的像差。几何像差包括成的像差。几何像差包括球差球差和和象散象散；p色差色差：由于电子波的波长或能量发生一定幅度的由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的像差。改变而造成的像差。Dept.of MSE,CQU23材料现代测试方法 电子光学基础1.球差 n 球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电

18、子的会聚能力不同而造成的会聚能力不同而造成的。远轴的电子通过透镜是折射得。远轴的电子通过透镜是折射得比近轴电子要厉害的多，以致两者不交在一点上，结果比近轴电子要厉害的多，以致两者不交在一点上，结果在象平面成了一个在象平面成了一个散焦圆斑散焦圆斑，半径为：，半径为：314SsrC 因为球差和孔径半角成三次方的关系，所以用小孔角因为球差和孔径半角成三次方的关系，所以用小孔角成像时，可使球差明显减小。成像时，可使球差明显减小。Dept.of MSE,CQU24材料现代测试方法 电子光学基础PP象象PP透镜透镜物物P P光轴光轴球差Dept.of MSE,CQU25材料现代测试方法 电子光学基础2.象

19、散n 磁场不对称磁场不对称时，就出现时，就出现象散象散。有的方向电子束的折射。有的方向电子束的折射比别的方向强，如下图所示，在比别的方向强，如下图所示，在A A平面运行的电子束聚平面运行的电子束聚焦在焦在PaPa点，而在点，而在B B平面运行的电子聚焦在平面运行的电子聚焦在PbPb点，依次类点，依次类推。这样，圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑，推。这样，圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑，其平均半径为：其平均半径为：AArf 为电磁透镜出现椭圆度时造成的焦距差。为电磁透镜出现椭圆度时造成的焦距差。AfDept.of MSE,CQU26材料现代测试方法 电子光学基础平面平面B BP PA

20、A透镜平面透镜平面物物P P光轴光轴P PB Bf fA A 平面平面A A象散 Dept.of MSE,CQU27材料现代测试方法 电子光学基础n 透镜磁场不对称，可能是由于极靴被污染，或极靴的透镜磁场不对称，可能是由于极靴被污染，或极靴的机械不对称性，或极靴材料各项磁导率差异引起。象散机械不对称性，或极靴材料各项磁导率差异引起。象散可由附加磁场的可由附加磁场的电磁消象散器电磁消象散器来校正。来校正。Dept.of MSE,CQU28材料现代测试方法 电子光学基础3.色差n 电子的能量不同，从而波长不一造成的，电子透镜的电子的能量不同，从而波长不一造成的，电子透镜的焦距随着电子能量而改变，因

21、此，能量不同的电子束将焦距随着电子能量而改变，因此，能量不同的电子束将沿不同的轨迹运动。产生的漫散圆斑的半径为沿不同的轨迹运动。产生的漫散圆斑的半径为|CcErCEn 引起引起电子束能量变化的主要有两个原因：一是电子的电子束能量变化的主要有两个原因：一是电子的加速电压不稳定；二是电子束照射到试样时，和试样相加速电压不稳定；二是电子束照射到试样时，和试样相互作用，一部分电子发生非弹性散射，致使电子的能量互作用，一部分电子发生非弹性散射，致使电子的能量发生变化。发生变化。Dept.of MSE,CQU29材料现代测试方法 电子光学基础能量为能量为E E的的电子轨迹电子轨迹象象1 1透镜透镜物物P

22、P光轴光轴色差能量为能量为E-EE-E的的电子轨迹电子轨迹象象2 2Dept.of MSE,CQU30材料现代测试方法 电子光学基础 在电子透镜中，球差对分辨本领的影响最在电子透镜中，球差对分辨本领的影响最为重要，因为没有一种简便的方法使其矫正，为重要，因为没有一种简便的方法使其矫正，而其它象差，可以通过一些方法消除。而其它象差，可以通过一些方法消除。Dept.of MSE,CQU31材料现代测试方法 电子光学基础4.电磁透镜的分辨率 光学显微镜的分辨本领基本上决定于象差和衍射，而象差基本上可以消除到忽略不计的程度，因此，分辨本领主要取决于衍射。电子透镜中，不能用大的孔径角，若这样做，球差和象

23、差就会很大，但可通过减小孔径角的方法来减小象差，提高分辨本领，但不能过小。显微镜的分辨极限是 电镜情况下，因此 可见，光阑尺寸过小，会使分辨本领变坏，这就是说，光阑的最佳尺寸应该是球差和衍射两者所限定的值sin.ndn.d.sC/sbestCDept.of MSE,CQU32材料现代测试方法 电子光学基础相对应的最佳光阑直径式中的f 为透镜的焦距。将 代入可得 目前，通用的较精确的理论分辨公式和最佳孔径角公式为 将各类电镜缺陷的影响减至最小，电子透镜的分辨本领比光学透镜提高了一千倍左右。fDbestbestbest/minsCd/min.sCd/min.sCDept.of MSE,CQU33材

24、料现代测试方法 电子光学基础v 电磁透镜的景深和焦深n 电子透镜分辨本领大，电子透镜分辨本领大，景深大，焦深长景深大，焦深长。n 景深景深是指在保持象清晰的前提下，试样在是指在保持象清晰的前提下，试样在物平面物平面上上下沿镜轴可移动的距离，或者说试样超越物平面所允下沿镜轴可移动的距离，或者说试样超越物平面所允许的厚度。也称为许的厚度。也称为场深场深。n 焦深焦深是指在保持象清晰的前提下，是指在保持象清晰的前提下，象平面象平面沿镜轴可沿镜轴可移动的距离，或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许移动的距离，或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。的移动距离。n 电子透镜所以有这种特点，是由于所用的孔径角非电子透镜所以有这种特点，是由于所用的孔径角非常小的缘故。常小的缘故。Dept.of MSE,CQU34材料现代测试方法 电子光学基础0022tanfrrD0022tanLr Mr MDDept.of MSE,CQU35材料现代测试方法 电子光学基础Dept.of MSE,CQU36材料现代测试方法 电子光学基础Dept.of MSE,CQU37材料现代测试方法 电子光学基础Dept.of MSE,CQU38材料现代测试方法 电子光学基础Dept.of MSE,CQU39材料现代测试方法 电子光学基础