第八章电子光学基础.ppt

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1、0,第二篇 材料电子显微分析,1,电子显微学发展历史简要介绍,2,1.1 程序设计语言/概述,技术条件 理论基础,电子显微学发展历史简要介绍,1897年，布劳恩（C.F.Braun）设计并制成最初的示波管，这为电子显微镜的诞生准备了技术条件。,1926年，布施（H.Busch）发表有关磁聚焦的论文，指出电子束通过轴对称电磁场时可以聚焦，如同光线通过透镜时可以聚焦一样，因此可以利用电子成象。这为电子显微镜做了理论上的准备。,3,1.1 程序设计语言/概述,1930-1933 鲁斯卡与Von Borries 制造了第一台电子显微镜。（1939西门子）,1931.5.28 M.Rdenberg-向德

2、、法、英等国申请电子显微镜专利（凭理论推测）。,1932年12月和1936年10月获得法、英的批准，1953年获得西德的批准。电子显微镜一词首先出现在Rdenberg的专利中。,1942年英国制成第一台实验室用扫描电镜，1965年开始生产商品化扫描电镜。,电子显微学发展历史简要介绍,4,1.1 程序设计语言/概述,1956年Menter得到酞氰铂和酞化氰铜的点阵平面条纹像（1纳米）。,1967年Allpress和Sanders得到分辨率为0.7纳米的氧化物的像。,1971年Iijima高分辨观察到氧化铌中金属原子的分布（0.3纳米），标志高分辨像与晶体结构对应关系的产生。,目前，电子显微镜的分

3、辨率接近0.1纳米。,电子显微学发展历史简要介绍,5,电子显微镜在材料研究中发挥的作用,位错的观察证实了位错理论的正确性。（衍衬像）准晶的发现扩展了晶体的范畴。（电子衍射）1992年国际晶体学会重新研究晶体的定义：“晶体是指任何给出基本上有明确衍射图的固体，而非周期性晶体是指无周期性的晶体”。3.纳米碳管的发现引发了纳米材料研究的高潮。（高分辨像）,6,电子显微镜在材料研究中发挥的作用,总之，作为结构分析手段电子显微镜具有高空间分辨率和能量分辨率，已成为显微结构表征和微区成份分析不可缺少的工具。电子显微镜在材料领域的广泛应用，对于研究和开发新材料，特别是纳米材料的开发具有非常重要的作用。,7,

4、方法电子衍射质（量）厚（度）衬度像和高分辨像X 射线能谱电子能量损失谱二次电子像洛伦茨电子显微术电子全息Z-衬度像能量过滤像,可获得信息晶体对称性，晶体取向，样品厚度晶体缺陷，原子排列元素种类，分布，样品厚度元素种类，分布，样品厚度表面形态磁畴结构磁畴结构，晶体势，样品厚度元素分布,电子显微学方法和获得的信息,8,用于材料结构表征电子显微方法,A 晶体结构的表征1.电子衍射透射电子衍射;反射电子衍射;会聚束电子衍射;微束电子衍射。,2.电子显微像 振幅（衍射）衬度像;明场像;暗场像；（对中暗场像，弱束暗场像）高分辨像；Z-衬度像;能量过滤像；二次电子像；电子全息。,9,用于材料结构表征电子显微

5、方法,B 材料成份测定X-射线能谱；电子能量损失谱。,C 磁畴结构的表征洛伦兹电子显微方法；电子全息。,10,Chapter 8,电子光学基础,The foundatiion of Electron Optics,构建电子显微镜的理论和技术基础,11,本章要求：1.了解电磁透镜的工作原理和特点 2.掌握加速电压和电子波长的关系,12,1.光学显微镜的分辨率极限,有效放大倍数:0.15mm/200nm=750倍,近似的,可见光波长范围390760nm 分辨率极限200nm,8.1 电子波和电磁透镜,13,2.电子波的波长与加速电压 U 之间的关系,8.1 电子波和电磁透镜,得到波长与加速电压 U

6、 之间的关系式:,Prince Louis-victor de Broglie,14,8.1 电子波和电磁透镜,在常用的100200KV加速电压下,电子波的波长要比可见光小5个数量级。,15,3.电磁透镜:利用磁场聚焦,8.1 电子波和电磁透镜,16,4.软磁壳及极靴对聚焦磁场的影响,8.1 电子波和电磁透镜,极靴,软磁壳(低碳钢或纯铁),17,8.2 电磁透镜的像差与分辨本领,像差 分辨率,包括几何像差和色差,几何像差:由磁场几何形状缺陷造成,主要包 括球差和像散色差:由电子波的波长或能量发生一定幅度 的改变造成,1).球差(球面像差)因磁透镜中心区域与边缘区域对电子的 折射能力不符合预定的

7、规律而造成的。,18,8.2 电磁透镜的像差与分辨本领,像差 分辨率,球差几何示意图,最小散焦圆斑折算到物平面上就得到反映球差大小的量rs:,式中，Cs 球差系数 孔径半角,19,8.2 电磁透镜的像差与分辨本领,像差 分辨率,2).像散 因透镜磁场的非旋转对称而引起的。,计算像散大小的公式:,像散几何示意图,20,8.2 电磁透镜的像差与分辨本领,像差 分辨率,2).像散 因透镜磁场的非旋转对称而引起的。,如果电磁透镜在制造过程中已存在固有的像散，则可以通过引入一个强度和方位都可以调节的矫正磁场来进行补偿，这个产生矫正磁场的装置就是消像散器。,3).色差 由于入射电子波长（或能量）的非单一

8、性所造成的。,21,8.2 电磁透镜的像差与分辨本领,像差 分辨率,色差几何示意图,22,8.2 电磁透镜的像差与分辨本领,像差 分辨率,因色差造成的散焦斑半径大小:,因此采取稳定加速电压的方法可以有效地减小色差。,23,8.2 电磁透镜的像差与分辨本领,像差 分辨率,色差系数Cc与球差系数Cs均随透镜激磁电流的增大而减小。,24,8.2 电磁透镜的像差与分辨本领,像差 分辨率,电磁透镜的分辨率由衍射效应和球面像差来决定。,1.衍射效应对分辨率的影响,由衍射效应所限定的分辨率（即试样上能分辨出的两个物点间的最小距离）在理论上可由瑞利 公式计算，即,r0,25,8.2 电磁透镜的像差与分辨本领,

9、像差 分辨率,r0的物理含义,两个点光源成像时形成的埃利斑,26,8.2 电磁透镜的像差与分辨本领,像差 分辨率,2.像差对分辨率的影响,如前所述，由于球差、像散和色差的影响，试样上的光点在像平面上均会扩展成散焦斑。各散焦斑半径折算回物体后得到的rs、rA、rc值自然就成了由像差所限定的分辨率。,衍射效应与像差协调(孔径半角)以得到最佳分辨率,27,8.3 电磁透镜的景深和焦长,景深 焦长,透镜物平面允许的轴向偏差,与透镜分辨率和孔径半角间的关系:,电磁透镜:孔径半角小(10-2级)分辨本领高(nm级)景深大(102 103 nm级),28,8.3 电磁透镜的景深和焦长,景深 焦长,透镜像平面

10、允许的轴向偏差,与透镜分辨率和孔径半角间的关系:,电磁透镜:半孔径角小(10E-2级)分辨本领高(nm级)焦长大(mm级 M=200时),29,课后要求,The End of Chapter 8,课后要求：,1、复习本次课有关的电子光学基本内容2、预习本章课后习题3、4及第九章内容,30,The Nobel Prize in Physics 1986,Ernst Ruska,Gerd Binnig,Heinrich Rohrer,1/2 of the prize,1/4 of the prize,1/4 of the prize,Federal Republic of Germany,Federal Republic of Germany,Switzerland,31,扫描隧道显微镜,扫描隧道显微镜拍摄的7个铀原子团,第一台电子显微镜,