電子顯微鏡技術(shù)電子顯微鏡技術(shù)1第一節(jié)電子顯微鏡的發(fā)展與分辨率一、發(fā)展概況人們對微觀世界的探索有著漫長的歷史，我們知道人眼不能分辨0.2mm(2000000?)以下的距離，到光學(xué)顯微鏡發(fā)明以后，對微觀世界的觀察前進(jìn)了一大步。借助光學(xué)顯微鏡，人們才看到了細(xì)胞和細(xì)菌，這對醫(yī)學(xué)和生物學(xué)是一大貢獻(xiàn)。但光學(xué)顯微鏡的分辨率也只能達(dá)到2000~2500?，極限放大倍數(shù)為1500倍。第一節(jié)電子顯微鏡的發(fā)展與分辨率一、發(fā)展概況2從本世紀(jì)初，電子光學(xué)理論得到了發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)光波與電子運(yùn)動有很深刻的相似性。1926年，Busch發(fā)表了關(guān)于磁聚焦的論文，指出旋轉(zhuǎn)對稱磁場可以使電子束折射，如同光學(xué)透鏡使光線折射一樣，隨后德國的其他一些科學(xué)家發(fā)表了一系列電子光學(xué)論文，為電子光學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。從本世紀(jì)初，電子光學(xué)理論得到了發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)3

1932-1933年，德國制成了世界上第一臺透射電子顯微鏡（具有三個透鏡，冷陰極放電電子源，分辨率500?）。1939年，德國西門子公司生產(chǎn)了第一臺作為商品的透射電鏡，分辨率已能達(dá)到100?。1942年英國制成了第一臺掃描電鏡。

電鏡的出現(xiàn)是人們探索微觀世界的一大突破。到現(xiàn)在最先進(jìn)的透射電鏡，其分辨率已能達(dá)到1~2?，已能觀察到重金屬原子和大分子像，電鏡在科學(xué)的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1932-1933年，德國制成了世界上第一臺透4二、光學(xué)顯微鏡的分辨極限光的衍射：

光屬于電磁波，由于它具有波動性質(zhì)，使得透鏡各部分折射到像平面上的像點(diǎn)及其周圍區(qū)域的光波相互之間發(fā)生干涉作用，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。即使是一個理想的點(diǎn)光源通過透鏡成像時，由于衍射效應(yīng)，在像平面上也不能得到一個理想的像點(diǎn)，而形成一個具有一定尺寸的中央亮斑及其周圍明暗相間的圓環(huán)所組成的所謂埃利（Airy）斑。通常以埃利斑第一暗環(huán)的半徑來衡量其大小。二、光學(xué)顯微鏡的分辨極限光的衍射：5

根據(jù)衍射理論推導(dǎo)，點(diǎn)光源通過透鏡產(chǎn)生的埃利斑半徑的表達(dá)式為：

（１）－－－透鏡物方介質(zhì)折射率（樣品）－－－照明光波長－－－透鏡孔徑半角－－－透鏡放大倍數(shù)

根據(jù)衍射理論推導(dǎo)，點(diǎn)光源通過透鏡產(chǎn)生的埃利斑半6一個樣品可看成是由許多物點(diǎn)所組成的，當(dāng)用波長為的光波照射物體時，每一個物點(diǎn)都可看成一個“點(diǎn)光源”，用透鏡成像時，每一個“點(diǎn)光源”（如物點(diǎn)散射的光）都在透鏡的像平面上形成各自的埃利斑像。如兩物點(diǎn)相距較大，相應(yīng)的埃利斑像也彼此分開；當(dāng)兩物點(diǎn)接近時，埃利斑像也彼此接近，直至部分重疊。瑞利（LordRayleigh）建議分辨兩埃利斑像的判據(jù)是：兩埃利斑中心間距等于第一暗環(huán)半徑（如圖），此時兩埃利斑強(qiáng)度疊加曲線表明，兩中央峰之間疊加強(qiáng)度比中央峰最大強(qiáng)度低19%，因此肉眼仍能分辨是兩個物點(diǎn)的像。一個樣品可看成是由許多物點(diǎn)所組成的，當(dāng)用波長為的7電子顯微鏡技術(shù)ppt課件8我們把兩埃利斑中心間距等于第一暗環(huán)半徑時，樣品上相應(yīng)的兩個物點(diǎn)間距離定義為透鏡能分辨的最小距離，也就是透鏡的分辨本領(lǐng)。由（１）式得到：

對于玻璃透鏡來說，最大的孔徑半角α=70~75o在物方介質(zhì)為油的情況下，n≈1.5,其數(shù)值孔徑

nsinα≈1.25~1.35,因此式（２）可以簡化為：

Δr0

≈1/2λ,這又稱為半波公式。

我們把兩埃利斑中心間距等于第一暗環(huán)半徑時，樣品9

上式說明，透鏡能分辨的兩點(diǎn)間的最小距離，即分辨本領(lǐng)主要取決于照明波長，半波長是光學(xué)透鏡分辨率的理論極限?？梢姽獾牟ㄩL在3900~7600?之間，最佳情況下光學(xué)透鏡分辨率極限值可達(dá)2000?左右。

三、電子顯微鏡的分辨極限根據(jù)上述的理論，要提高顯微鏡的分辨率，只有把照明源的波長縮短。理論上計(jì)算，電子顯微鏡使用的光源―電子光束，其波長約為可見光的十萬分之一，（加速電壓為50kv時，電子束波長λ=0.0526?，）則電鏡的理論分辨率也應(yīng)提高十萬倍（0.026?）。

上式說明，透鏡能分辨的兩點(diǎn)間的最小距離，即分辨本領(lǐng)主10

但實(shí)際上電鏡目前還達(dá)不到這樣的分辨率，這是因?yàn)榉直媛蔬€要受到電磁透鏡球面像差系數(shù)的影響。

電鏡實(shí)際分辨率Δr0=Aλ3/4

Cs1/4

Δr0

――分辨率（?）

λ

――電子束波長Cs――電磁透鏡的球面像差系數(shù)

現(xiàn)在透射電鏡的極限分辨率已能達(dá)到~1?。但實(shí)際上電鏡目前還達(dá)不到這樣的分辨率，這是因?yàn)榉直媛?1

第二節(jié)光學(xué)透鏡與電磁透鏡一．光學(xué)透鏡的成像原理第二節(jié)光學(xué)透鏡與電磁透鏡12

對于薄透鏡成像，物平面、焦平面、像平面三者之間的關(guān)系可按下式計(jì)算確定：

－－物距－－像距－－焦距

放大倍數(shù)

對于薄透鏡成像，物平面、焦平面、像平面三13

二．電磁透鏡的成像原理

與光在光學(xué)透鏡中透過產(chǎn)生折射一樣，當(dāng)一個電子束在激磁線圈中透過時，由于受電磁場的作用，電子運(yùn)動會發(fā)生折射。

與光在光學(xué)如電子運(yùn)動方向與磁場（力線）垂直，運(yùn)動軌跡是一個圓，半徑，其中為電子質(zhì)量，vo為電子初速度，e為電子電荷，H

為磁場強(qiáng)度。當(dāng)電子運(yùn)動方向與磁力線成一定角度時，則每個電子的速度矢量v將分解為兩個分量。一個平行于磁力線為vz

,一個垂直于磁力線為vr。平行分量使電子沿磁力線方向運(yùn)動，垂直分量使電子作圓周運(yùn)動。因此，在此情況下，電子運(yùn)動的軌跡是一個螺旋線。

，二．電磁透鏡的成像原理與光在光學(xué)如電子運(yùn)動方14

螺旋線的半徑?jīng)Q定于垂直磁力線的分速度，但電子旋轉(zhuǎn)一周所需的時間為即電子旋轉(zhuǎn)一周所需的時間僅與磁場強(qiáng)度H有關(guān),而與速度分量無關(guān)，所以不同速度分量運(yùn)動的電子轉(zhuǎn)一圈所需的時間是一樣的。雖然每個電子的圓圈軌道半徑不一樣，如果每個電子運(yùn)動方向與線圈軸夾角很小，所有電子的軸向速度分量可看作大致相等，那么從同一點(diǎn)發(fā)射的所有電子沿著自己的螺旋軌道經(jīng)過相同時間又在同一點(diǎn)會聚，即起聚焦作用。

螺旋線的半徑?jīng)Q定于垂直磁力線的分速度，但電子旋轉(zhuǎn)一周15因此，對于磁透鏡，有三點(diǎn)結(jié)論：①電磁透鏡能產(chǎn)生螺旋磁場（旋轉(zhuǎn)對稱磁場）②電子束通過電磁透鏡后能聚焦③符合光學(xué)透鏡公式：因此，對于磁透鏡，有三點(diǎn)結(jié)論：16第三節(jié)透射電鏡的結(jié)構(gòu)原理（TEM）

(TransmittedElectricMicroscope)電子顯微鏡技術(shù)ppt課件17電子顯微鏡技術(shù)ppt課件18電子顯微鏡技術(shù)ppt課件19

第三節(jié)透射電鏡的結(jié)構(gòu)原理（TEM）

(TransmittedElectricMicroscope)電子顯微鏡與光學(xué)鏡的結(jié)構(gòu)有所相似。透射電鏡由下列幾部分組成

一、電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒部分）（一）照明系統(tǒng)1）電子槍

電子槍的鎢絲，溫度一般在2600℃，使用壽命約20~50小時，如溫度提高至2800℃，則壽命大大降低，約只有2~3小時。第三節(jié)透射電鏡的結(jié)構(gòu)原理（TEM）20

2）聚光鏡目前分辨率高的都采用雙聚光鏡。

為了減少象散，加入“消象散器”。為了調(diào)節(jié)孔徑角，在聚光鏡中，加有“聚光鏡光闌”。（二）樣品室對放置的試樣要注意以下幾個問題：1、受熱變化由于電子束溫度較高，有可能使樣品受熱變化，故對樣品如會有升華、脫水等變化，要先經(jīng)過特殊處理。2、污染某些試樣在照射受熱后，碳?xì)浠衔飼l(fā)生分解，一部分隨抽真空跑掉，一部分會沉積在樣品表面，而降低分辨能力。2）聚光鏡213、荷電現(xiàn)象

電荷的沉積，有可能會使圖像模糊，防止的辦法是在試樣上噴鍍一些導(dǎo)電物質(zhì)。（三）透鏡系統(tǒng)透鏡系統(tǒng)是電鏡的關(guān)鍵部分，一般成像系統(tǒng)為三級成像系統(tǒng)，包括：物鏡、中間鏡、投影鏡，通過調(diào)節(jié)中間鏡和投影鏡的電流，放大率能從幾百倍連續(xù)地改變到幾十萬倍。（M1×M2×M3）1、物鏡物鏡是一種強(qiáng)磁透鏡，要求象散盡可能小，其焦距較短。3、荷電現(xiàn)象22

２、中間鏡與投影鏡其結(jié)構(gòu)原理與物鏡相同，作為投影鏡要求有盡可能短的焦距，從而達(dá)到極高的放大率。（四）觀察與記錄系統(tǒng)觀察系統(tǒng)主要是一個用硫化鋅鎘制成的熒光屏，電子束照射在熒光屏上，依據(jù)不同的強(qiáng)度，在熒光屏上顯示出不同的亮度，記錄系統(tǒng)裝有“感光玻璃極”，可以對圖像進(jìn)行拍照，

二、附屬系統(tǒng)主要包括：①真空系統(tǒng)；②電氣系統(tǒng)。

２、中間鏡與投影鏡23

第五節(jié)透射電鏡的樣品制備一、對試樣的要求１、試樣能使電子束透過，故對厚度有一定要求（<1000?），如加速電壓愈高，原子序數(shù)愈小，其穿透能力愈大。２、在高真空下觀察。３、要有一定的強(qiáng)度，使試樣在電子束轟擊下，仍能保持一定的形態(tài)。４、試樣必須非常干凈。第五節(jié)透射電鏡的樣品制備24

二、試樣的制備方法（一）超薄切片因?yàn)橥干潆婄R對試樣的厚度有一定的要求，因此對一些纖維試樣，常用的方法是超薄切片。１、包埋與切片的步驟①將試樣放入一種藥用膠囊，將配好的包埋材料（環(huán)氧樹脂）倒入膠囊中；②放入烘箱（60~80℃）中固化；③對包埋塊進(jìn)行修整；④切片。２、超薄切片機(jī)可切出200?~1000?厚度的超薄切片。根據(jù)刀的進(jìn)給方式可分成兩種類型：①機(jī)械推進(jìn)型；②熱膨脹型。二、試樣的制備方法25（二）復(fù)型法復(fù)型法適于對一些較硬較脆的試樣，由于難以超薄切片，只能用復(fù)型法。復(fù)型法適于對某些材料進(jìn)行表面形貌觀察。

一級復(fù)型二級復(fù)型（二）復(fù)型法一級復(fù)型26

第六節(jié)、透射電鏡的成像襯度（質(zhì)厚襯度）機(jī)理一、彈性散射與非彈性散射第六節(jié)、透射電鏡的成像襯度（質(zhì)厚襯度）機(jī)理27一個電子在通過一個原子的靜電場時，兩者作用的結(jié)果表現(xiàn)為運(yùn)動方向和能量的改變。當(dāng)入射電子在運(yùn)動中靠近某一個原子核時，由于庫倫引力的作用，電子將向核方向偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角大小取決于它靠近核的距離與原子序數(shù)的大小，偏轉(zhuǎn)角稱為“散射角”。由于原子核的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，因此入射電子的能量損失很小，可以忽略不計(jì)，這稱之為“彈性散射”；當(dāng)入射電子運(yùn)動中靠近某一個自由電子時，由于庫侖排斥作用，也必發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因?yàn)閮呻娮淤|(zhì)量相等，因此入射電子必有能量損失，這種散射稱之為“非彈性散射”。一個電子在通過一個原子的靜電場時，兩者作用的結(jié)果表28電子顯微鏡技術(shù)ppt課件29

①②

Z――原子序數(shù)?？梢娫有驍?shù)越高，產(chǎn)生彈性散射的比例就越大。

電子顯微鏡技術(shù)ppt課件30

31第七節(jié)掃描電子顯微鏡

一、結(jié)構(gòu)原理圖第七節(jié)掃描電子顯微鏡

一、結(jié)構(gòu)原理圖32電子顯微鏡技術(shù)ppt課件33將電子束探針在試樣上來回掃描，在試樣上受激產(chǎn)生的二次電子、背散射電子、俄歇電子等分別被檢測器接受，經(jīng)放大器放大后，在熒光屏上掃描出圖像，反映的圖像襯度主要是“形貌襯度”。

二、電子探針與試樣的作用方式１、二次電子定義：

核外電子被入射電子束轟擊后，可離開原子核,變成自由電子從樣品表面逸出，稱為二次電子。

①能量與滲度

由于其能量大致在0~30-50eV之間，它們多數(shù)來自表面層下部5~50?深度之間。因?yàn)槎坞娮拥哪芰坎淮螅偕畈康亩坞娮泳筒荒芤莩鲈嚇颖砻?。將電子束探針在試樣上來回掃描，在試樣上受激產(chǎn)生的二次34②二次電子成像襯度非晶體塊狀樣品的二次電子產(chǎn)額與電子束入射角有關(guān)，正入射時產(chǎn)額比斜入射時低，入射角越大，二次電子產(chǎn)額越高。

③二次電子的主要特點(diǎn)1）由于產(chǎn)額受入射角影響大，所以對試樣表面狀態(tài)敏感；2）在收集柵加正壓時，具有翻越障礙，呈曲線進(jìn)入探測器的能力；3）像的空間分辨率高（優(yōu)于100?）；4）二次電子產(chǎn)額與原子序數(shù)關(guān)系不大。②二次電子成像襯度③二次電子的主要特點(diǎn)35

２、背散射電子定義：

由入射電子在試樣內(nèi)經(jīng)過一次或幾次大角度彈性散射或經(jīng)過多次（幾十或幾百次）非彈性散射后離開試樣表面的電子，稱為彈性背散射電子和非彈性背散射電子。

背散射電子的特點(diǎn)：①因?yàn)榫哂休^高的能量，因此可從試樣的較深部位射出，能反映試樣表面層內(nèi)幾個微米的特征形貌和某些材料不同相成分區(qū)域的輪廓。滲度為100?~幾個μ。②背散射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)增大而增多。２、背散射電子36

4、俄歇電子（Auger）

俄歇電子也屬于特征能譜，它是法國科學(xué)家俄歇首先發(fā)現(xiàn)的，故命名。在入射電子激發(fā)下，若試樣原子中某一電子（如K層電子）被電離，則空位便會由高能級電子（如L層電子）來填充，電子從高能級向低能級躍遷時，釋放能量可能有兩種方式：若以輻射方式，則產(chǎn)生特征X射線（Kα）；若原子核的序數(shù)較低，電子打到內(nèi)層后激發(fā)的能量不大，不能引起輻射，則躍遷時使另一個電子（如L層中的另一電子）電離，則大于電離能的多余部分便成為該電子的動能，這種被二次電離的電子就稱為“俄歇電子”。4、俄歇電子（A