第07章电子光学基础.ppt

材料测试技术 意义： 借助于材料测试技术，有助于我们了解分析材料（例如：纳米材料）的微观结构与宏观性能的关系，指导新型材料的合成、制备、形貌控制和表征、性能改善，是对材料科学进行研究必不可少的手段。 本课程主要介绍的材料表征手段 1. 透射电子显微镜 （TEM）形貌观察和晶相结构分析 2. 扫描电子显微镜 （SEM）表面形貌表征 3. 电子探针 （WDS, EDS） 微区成分分析 4. 俄歇电子能谱 （AES） 表面化学成分分析 5. 场离子显微镜 （FIM） 原子表面的直接成像 6. 扫描隧道显微镜（STM）与 原子力显微镜 （AFM） 样品表面高分辨形貌分析 7. X射线光电子能谱（XPS） 表面元素价态分析 STM图像 第七章 电子光学基础 § 7-1 电子波与电磁透镜 一、光学显微镜发展简史 1590年，荷兰的詹森父子(Hans and zachrias Janssen) 制造出第一台原始的、放大倍数约为20倍的显微镜。 1610年，意大利物理学家伽利略(Galileo)制造了具有物镜、目镜及镜筒的复式显微镜。 1665年，英国物理学家罗伯特·胡克(Robert Hooke)用左下图这台复式显微镜观察软木塞时发现了小的蜂房状结构，称为“细胞”，由此引起了细胞研究的热潮。 1684年，荷兰物理学家惠更斯(Huygens)设计并制造出双透镜目镜－惠更斯目镜，是现代多种目镜的原型。这时的光学显微镜已初具现代显微镜的基本结构。 现代光学显微镜 光学显微镜发展简史 在显微镜的发展史中，贡献最为卓著的是德国的物理学家、数学家和光学大师恩斯特·阿贝(Ernst Abbe)。 他提出了显微镜的完善理论，阐明了成像原理、数值孔径等问题，在1870年发表了有关放大理论的重要文章。 两年后，又发明了油浸物镜，并在光学玻璃、显微镜的设计和改进等方向取得了光辉的业绩。 § 7-1 电子波与电磁透镜 二、光学显微镜的分辨极限 § 7-1 电子波与电磁透镜 § 7-1 电子波与电磁透镜 光学显微镜的分辨本领 § 7-1 电子波与电磁透镜 为什么光学显微镜会有分辨极限？ § 7-1 电子波与电磁透镜 二、光学显微镜的分辨极限 § 7-1 电子波与电磁透镜 二、光学显微镜的分辨极限 如何提高显微镜的分辨率 要想提高显微镜的分辨率，关键是降低照明光源的波长。 顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在13-390nm之间，比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地吸收紫外光，因此紫外光难以作为照明光源。 更短的波长是X射线。但是，迄今为止还没有找到能使X射线改变方向、发生折射和聚焦成像的物质，也就是说还没有X射线的透镜存在。因此X射线也不能作为显微镜的照明光源。 除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波长，而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。 § 7-1 电子波与电磁透镜 不同加速电压下的电子波波长 § 7-1 电子波与电磁透镜 § 7-1 电子波与电磁透镜 § 7-1 电子波与电磁透镜 § 7-1 电子波与电磁透镜 § 7-1 电子波与电磁透镜 短线圈磁场中的电子运动显示了电磁透镜聚焦成像的基本原理。实际电磁透镜中为了增强磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低碳钢）制成的具有内环形间隙的壳子里（如右图）。 § 7-1 电子波与电磁透镜 § 7-1 电子波与电磁透镜 § 7-1 电子波与电磁透镜 § 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领 § 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领 § 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领 球差是因为电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的。 原来的物点是一个几何点，由于球差的影响现在变成了半径为ΔrS的漫散圆斑。我们用ΔrS表示球差大小，计算公式为： § 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领 § 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领 § 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领 像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的像差。当极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、制作极靴的磁性材料的材质不均以及极靴孔周围的局部污染等都会引起透镜的磁场产生椭圆度。 将RA折算到物平面上得到一个半径为ΔrA的漫散圆斑，用ΔrA表示像散的大小，其计算公式为： § 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领 § 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领 三、色差 最小的散焦斑RC。同样将RC折算到物平面上，得到半径为ΔrC的圆斑。色差ΔrC由下式来确定： § 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领 § 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领 衍射效应的分辨率和球差造成的