第二章電子顯微分析2021/7/91第二章電子顯微分析2021/7/91第一節(jié)基本原理2021/7/92第一節(jié)基本原理2021/7/顯微鏡眼晴的局限性準確性、靈敏性、適應性和精密的分辨能力。人眼觀察物體的粒度極限為0.1mm！光學顯微鏡可以看到象：細菌、細胞那樣小的物體。但光學顯微鏡超過一定放大率以后就失去了作用，最好的光學顯微鏡的放大極限是：2000倍2021/7/93顯微鏡眼晴的局限性光學顯微鏡2021/7/93阿貝(AbbeE.K.)定律2021/7/94阿貝(AbbeE.K.)定律2021/7/94阿貝定律的意義由阿貝定律知：減小r值的途徑有：(1)↑(物鏡的數(shù)值孔徑)N.A，即↑n和α(2)↓λ當用可見光作光源，采用組合透鏡、大的孔徑角(即用高倍數(shù)物鏡)以及高折射率介質(zhì)浸沒物鏡時，數(shù)值孔徑N.A可提高到1.5～1.6。得r≌λ/2

光學顯微鏡的極限分辨本領大約是所使用的照明光線波長的一半

2021/7/95阿貝定律的意義由阿貝定律知：2021/7/95德布洛依電子波概念X射線的波長很短，在0.05～10nm范圍，但是至今還不知道有什么物質(zhì)能使X射線有效地改變方向、折射和聚焦成像，即X射線很難操縱。任何運動的微觀粒子伴隨著一個波。他預言，這種伴隨著粒子的波，其波長與粒子的質(zhì)量和速度的乘積與反比，即：

由于電子在電場或磁場中易于改變運動的方向。且電子波的波長比可見光波短得多，所以電子顯微鏡在高放大倍數(shù)時所能達到的分辨率比光學顯微鏡高得多。2021/7/96德布洛依電子波概念X射線的波長很短，在0.05～1電子顯微鏡的發(fā)展簡史●1932年克諾爾(KnollM.)和魯斯卡(RuskaE.)在德國制作了第一臺透射電鏡TEMTEM--TransmissionElectronMicroscope●1939年，商品電子顯微鏡已在市場上出現(xiàn)，德國西門子公司生產(chǎn)了分辨本領優(yōu)于10nm的商品電子顯微鏡?！裎覈?959年開始制造電鏡?！瘳F(xiàn)代透射電鏡的放大倍數(shù)可以達到200萬倍以上，其分辨本領已經(jīng)達到原子大小的水平。2021/7/97電子顯微鏡的發(fā)展簡史●1932年克諾爾(KnollM.)電子光源1初速度的電子，受到電位差為U的電場加速獲得能量，根據(jù)能量守恒原理，假設Ｕ不太高，電子獲得的動能為：有由電子的波長為：

2021/7/98電子光源1初速度的電子，受到電位差為U的電場加速獲得能量，電子光源2電子顯微鏡電壓一般大小幾十kV，此時電子的速度接近光速，必須考慮相對論效應。另外，在電位差為U的電場作用下，一個靜止電子所獲得的動能等于電子的總能量mc2與靜止能量m0c2之差，即：

2021/7/99電子光源2電子顯微鏡電壓一般大小幾十kV，此時電子的速度接近電子光源3由上兩式可得：因此電子的速度為：電子的波長計算公式為：2021/7/910電子光源3由上兩式可得：2021/7/910電子光源4常用加速電壓與電子波的波長：透射電鏡的加速電壓一般在50～100kV，電子的波長在0.00536～0.00370nm比可見光的波長小幾十萬倍。比結構分析中常用的X射線的波長也小1～2個數(shù)量級。2021/7/911電子光源4常用加速電壓與電子波的波長：2021/7/911電子透鏡---電子光學折射定律

電子在靜電場中受到的洛倫茲力(Lorentz)為:式中為電場強度矢量。2021/7/912電子透鏡---電子光學折射定律電子在靜電場中受到的洛倫茲力電子透鏡---電子光學折射定律如果電子不是沿著電場的方向運動(沿電場為直線運動)，電場將使運動的電子發(fā)生折射。電子從電位為U1的區(qū)域進入電位為U2的區(qū)域(界面為AB)，如圖所示：

2021/7/913電子透鏡---電子光學折射定律如果電子不是沿著電場的電子透鏡---電子光學折射定律在界面處，電子速度由(是它們相應的切向分量，由于在平行于界面的方向沒有電場力的作用，因此有：這里α1,α2為電子運動方向與電場等位面的法線間的夾角。2021/7/914電子透鏡---電子光學折射定律在界面處，電子速度由2021/靜電透鏡

●陰極:零電位●陽極:正電位●控制極:負電位。陰極尖端附近的自由電子在陽極作用下獲得加速度?？刂茦O附近的電場(推著電子)對電子起會聚作用，陽極附近的電場對電子有“拉”作用，即有發(fā)散作用，但因這時電了的速度很大，所以發(fā)散作用較小。2021/7/915靜電透鏡●陰極:零電位2021/7/915靜電透鏡---受力分析

電子在控制極附近時(A點)。電場強度矢量E垂直于電場等位面，指向電位低的方向，電子受到的作用力F與E的方向相反：F→Fz,Fr(Fz:平行對稱軸,Fr向?qū)ΨQ軸)Fz和Fr的作用使各個方向的電子向軸靠近，形成向軸會聚的電子束。在陽極附近，如在B點：F→Fz,Fr(Fr背離對稱軸的方向)這時電子束受到發(fā)散作用，但由于電子的速度已經(jīng)很大，故發(fā)散作用較小。這一電子光學系統(tǒng)與玻璃光學透鏡系統(tǒng)極為相似。2021/7/916靜電透鏡---受力分析電子在控制極附近時(A點)。電場強度靜電透鏡---結論軸對稱的彎曲電場對電子束有會聚成像的性質(zhì)，這種

對稱的電場系統(tǒng)----被稱為靜電電子透鏡(簡稱靜電透鏡)。靜電透鏡主要用做各種電子顯微鏡的電子槍，因為只有靜電場才可能使自由電子增加動能，從而得到高速運動電子構成的電子束。2021/7/917靜電透鏡---結論軸對稱的彎曲電場對電子束有會聚成像的性質(zhì)，磁透鏡---原理2021/7/918磁透鏡---原理2021/7/918磁透鏡---電子運動方向；2021/7/919磁透鏡---電子運動方向；2021/7/919磁透鏡---電子運動方向（左）電子在磁場中運動時將產(chǎn)生三個運動分量：a)軸向運動(速度Vz)b)繞軸旋轉(速度為Vθ)c)指向軸的運動(速度為Vr)，徑向分量?？偟慕Y果：電子以螺旋方式不斷地靠近軸向前運動著。電子運動到磁場的右半部時：由于磁力線的方向改變，使得Hr改變方向，F(xiàn)θ也改變方向。在Fθ的作用下，使Vθ減小，但Vθ的方向不變，F(xiàn)r的方向也不變，所以電子的運動仍然是向軸會聚。2021/7/920磁透鏡---電子運動方向（左）電子在磁場中運動時將產(chǎn)生三個磁透鏡---結論通電流的圓柱形線圈產(chǎn)生軸對稱的磁場，這種磁場對電子束有會聚成像的性質(zhì)，在電子光學中:軸對稱磁場系統(tǒng)(通電流的圓柱形線圈)稱為磁電子透鏡(簡稱磁透鏡)。2021/7/921磁透鏡---結論通電流的圓柱形線圈產(chǎn)生軸對稱的磁場，這種磁磁透鏡種類---短磁透鏡

磁場沿軸延伸的范圍遠小于焦距的透鏡稱短磁透鏡。通電流的短線圈及帶有鐵殼的線圈都可以形成短磁透鏡。2021/7/922磁透鏡種類---短磁透鏡磁場沿軸延伸的范圍遠小于焦距的透磁透鏡種類---短磁透鏡對于短磁透鏡：其中f為透鏡的焦距，p為物距，q為象距。U是加速電壓，NI為透鏡線包的安匝數(shù)，R為線包的半徑，A是與透鏡結構條件有關的常數(shù)(A>0)。

●f>0，表明磁透鏡總是會聚透鏡?！駀∝1/I2,表明當勵磁電流稍有變化時，在電子顯微鏡中，通過改變磁透鏡電流，來改變放大倍數(shù)及調(diào)節(jié)圖象的聚焦和亮度?！窠咕鄁與加速電壓U有關，加速電壓不穩(wěn)定將使圖象不清晰。2021/7/923磁透鏡種類---短磁透鏡對于短磁透鏡：●f>0，表明磁透磁透鏡種類---帶極靴的磁透鏡在磁透鏡的鐵殼上加特殊形狀的極靴，可以使透鏡的f變得更短，從圖可知，加極靴后，使得磁場強度更強而且更集中，其磁場強度可達到103～104奧斯特，f可減小到幾mm。常用的極靴材料：Fe-Co合金，F(xiàn)e-Co-Ni合金(鐵磁性材料)。2021/7/924磁透鏡種類---帶極靴的磁透鏡在磁透鏡的鐵殼上加特殊形狀的磁透鏡種類---特殊磁透鏡

不對稱磁透鏡上下極靴的孔徑不相同的磁透鏡稱不對稱磁透鏡。如用于透射電鏡的物鏡，上極靴孔要大一些，使試樣能放在透鏡的焦點位置附近，并便于試樣的傾斜和移動。掃描電鏡中物鏡的下極靴孔比上極靴孔大，以便于在其附近安放某些附件。單場透鏡有的電鏡是將試樣放在透鏡的上、上極靴中間的位置，上極靴附近的磁場起會聚電子束的作用，下極靴附近的磁場起物鏡作用，這種透鏡稱單場磁透鏡。單場磁透鏡的焦距很短，約等于透鏡磁場的半寬度，而且它的球差可以比普通磁透鏡小一個數(shù)量級，有利于提高透鏡的分辨本領。2021/7/925磁透鏡種類---特殊磁透鏡不對稱磁透鏡單場透鏡2021/磁透鏡與靜電透鏡的比較雖然靜電透鏡也可以做成會聚透鏡，但現(xiàn)代透射電子顯微鏡中幾乎都采用磁透鏡作會聚透鏡，其主要原因有兩點：

●磁透鏡的焦距可以做得很短，可獲得較高的放大倍數(shù)和較小的球差?！耢o電透鏡要求高電壓，但高壓總是危險的！2021/7/926磁透鏡與靜電透鏡的比較雖然靜電透鏡也可以做成會聚透鏡，但現(xiàn)電子透鏡的缺陷

上面討論的電子透鏡的聚焦成像問題是有條件，即假定：

●軌跡滿足旁軸條件

●速度(決定了電子的波長)完全相同

●(透鏡電磁場)具有理想的軸對稱性。實際情況與理想條件的偏離，造成了電子透鏡的各種象差。象差的存在，影響圖象的清晰度和真實性，決定了透鏡只具有一定的分辨本領，從而限制了電子顯微鏡的分辨本領2021/7/927電子透鏡的缺陷上面討論的電子透鏡的聚焦成像問題是有條件，即電子透鏡的主要象差---球面象差

球面象差

物點P。旁軸電子形成的高斯象是P'點,通過高斯象點垂直于光軸的平面稱高斯平面。由于透鏡光闌有一定大小,所以同是從P點發(fā)現(xiàn)的電子,當張角不同時,落在高斯平面的不同點上。假設張角最大的電子落在P''點,在高斯平面上,所得到的象是以P'P''為半徑的圓斑。軸上一物點的象成了有一定大小的圓斑,球差幾乎是一種無法克服的象差。2021/7/928電子透鏡的主要象差---球面象差球面象差物點P。旁軸電電子透鏡的主要象差---色差在光學中，由于光的顏色(具有不同波長)的差異產(chǎn)生的象差稱色差。在電子光學中，電子透鏡成象也有色差。加速電壓的波動以及陰極逸出電子能量的起伏，使得成象電子的波長不完全相同，使透鏡的焦距發(fā)生變化。這種色差使得一個物點變成為某種散射圖形，影響了圖象的清晰度。2021/7/929電子透鏡的主要象差---色差在光學中，由于光的顏色(具有電子透鏡的主要象差---軸上象散

實際的透鏡磁場或電場不是理想的旋轉對稱場，這使得透鏡在不同方向上的焦距不相同。物點P在xz平面上成象于Px點,在yz平面上成象于Py點，使得一個物點所成的象是圓斑或橢圓斑，圖象變得不清晰。軸上象散是影響電鏡分辨本領的主要象差之一。為了盡量減小軸上象散,各種電鏡都配置有消除象散的設備。2021/7/930電子透鏡的主要象差---軸上象散實際的透鏡磁場或電場不是第二節(jié)透射電子顯微鏡2021/7/931第二節(jié)透射電子顯微鏡2021/7/931第二節(jié)透射電子顯微鏡電子顯微鏡包括：透射、掃描、發(fā)射和反射電子顯微鏡透射電子顯鏡縮寫為：TEM--TransmissionElectronMicroscope是最早發(fā)展起來的一種電子顯微鏡。它具有如下優(yōu)點：分辨本領高并且具備能夠作電子衍射2021/7/932第二節(jié)透射電子顯微鏡電子顯微鏡包括：2021/7/932透射電子顯微鏡---基本結構

TEM是一種大型電子光學儀器。通常包括：●電子光學系統(tǒng)

●

真空系統(tǒng)

●

電器.2021/7/933透射電子顯微鏡---基本結構TEM是一種大型電子光學儀器。

2021/7/9342021/7/934電子光學系統(tǒng)---工作過程

①

槍發(fā)出電子束→②經(jīng)會聚透鏡會聚→③照射在試樣上并穿過試樣→④經(jīng)物鏡成象→⑤再經(jīng)中間鏡和投影鏡放大→⑥電子顯微象(在熒光屏或照相底片上).2021/7/935電子光學系統(tǒng)---工作過程①

槍發(fā)出電子束→②經(jīng)會聚透電子光學系統(tǒng)---電子照明系統(tǒng)

包括:

●電子槍，●會聚透鏡和●對中系統(tǒng)作用：提供高能量和大電流密度的電子束。2021/7/936電子光學系統(tǒng)---電子照明系統(tǒng)2021/7/936電子照明系統(tǒng)---三極電子槍：①陰極(發(fā)叉式熱鎢絲)，②控制極(柵極)和③陽極等三部分。一般TEM的加速電壓為：50～100kV，大于200kV的電子槍通常采取多級加速(在陽極后排列若干個加速級)加速，總的加速電壓是：

最后一個加速電極與陰極之間的電位差。超高壓電鏡：>1000kV，采用場發(fā)射電子槍及LaB6陰極電子槍，亮度大，能量分散性小，有利于提高分辨率。2021/7/937電子照明系統(tǒng)---三極電子槍：2021/7/937會聚透鏡作用：將電子槍發(fā)出的電子束會聚于試樣表面上。

雙聚光鏡:

第I聚光鏡用短焦距強磁透鏡，將電子槍形成的交叉斑縮小幾十至上百倍。

第II聚光鏡將束斑按1:1投射到試樣平面上，使聚光鏡與試樣之間有較大的空間，以便放置試樣臺，測角臺及其他附件。

2021/7/938會聚透鏡作用：將電子槍發(fā)出的電子束會聚于試樣表面上。成像系統(tǒng)

包括有：●

物鏡●中間鏡●投影鏡●反差光闌●視場光闌●消像散器。①穿過試樣的電子束(包含試樣信息)→②物鏡和反差光闌→③一次放大電子圖象(在物鏡后的象平面上)→④中間鏡和投影鏡→⑤最終再放大電子圖像(在熒光屏或照相底片)。2021/7/939成像系統(tǒng)包括有：①穿過試樣的電子束(包含試樣信息)成像系統(tǒng)●物鏡作用：形成一次電子圖象及電子衍射譜(關健部件)，用強磁透鏡（焦距2mm左右，放大率100-200倍）試樣放在物鏡的前焦面附近，可得到放大倍率高的圖象。●消象散器作用：消除透鏡場的非對稱微擾，類似于用散光鏡來矯正人眼的散光缺陷?！裎镧R光闌：用Pt或Mo，中心圓孔直徑20-50μm，限制物鏡的孔徑角，增加圖象的反差?！裰虚g鏡：用弱磁透鏡，電流可調(diào)范圍大(改變整個成象系統(tǒng)的放大倍率)?！?/p>

投影鏡：用強磁透鏡，將物鏡和中間鏡形成的電子圖象或電子衍射譜進一步放大并投射到熒光屏或照相底片上。

2021/7/940成像系統(tǒng)●物鏡作用：●物鏡光闌：用Pt或Mo，中心圓孔直徑2真空部分

鏡筒內(nèi)部需處于高真空(10-4～10-7托)的原因：●避免電子與氣體分子相碰撞而散射，提高電子的平均自由程(>1米)?！癖苊怆娮訕尩母邏悍烹姡⒖裳娱L燈絲壽命(免氧化)。●避免試樣被污染。

2021/7/941真空部分鏡筒內(nèi)部需處于高真空(10-4～10-7托)的原因電器部分

●電子槍的高壓電源。為減小色差，要求加速電壓有很高的穩(wěn)定度，如要達到0.2～0.3nm的分辨本領，壓的穩(wěn)定度必須優(yōu)于2×10-6/分?！?/p>

磁透鏡激磁電流的電源。磁透鏡激磁電流的波動使透鏡焦距發(fā)生變化，象變得模糊。分辨本領為0.3nm的電鏡要求物鏡電流的穩(wěn)定度為1×10-6/分，中間鏡和投影鏡電流的穩(wěn)定度為5×10-6/分?！?/p>

各種操作、調(diào)整設備的電器。包括電對中系統(tǒng)的電流、消象散器的電源及自動真空伐門、自動照相及其他自動控制系統(tǒng)的電路等?！?/p>

真空系統(tǒng)電源?！癖Ｗo用電器等。

2021/7/942電器部分●電子槍的高壓電源。為減小色差，要求加速電壓有很高透射電鏡---技術指標

包括●分辨本領●放大率●加速電壓●自動化程度及所具備的功能等。

分辨本領(亦稱分辨率)

表征電鏡觀察物質(zhì)微觀細節(jié)的能力，它是標志電鏡水平的首要指標。放大率指電子圖像相對于試樣的線性放大倍數(shù)。

2021/7/943透射電鏡---技術指標包括分辨本領(亦稱分辨率)2021/點分辨率(點分辨本領)：

定義：電子圖像上剛能分辨開的相鄰兩點在試樣上的距離。

測量方法：在照片上量出兩個斑點中心之間的距離，除以圖像的放大倍數(shù)。

近代高分辨電鏡的點分辨率可達0.3nm。

2021/7/944點分辨率(點分辨本領)：定義：電子圖像上剛能分辨開的相鄰兩線分辨率定義：指電子圖像中能分辨出的最小晶面間距，也稱晶格分辨率。如金(200)晶面的間距是0.204nm，(220)晶面的間距是0.144nm，在電鏡中如能拍攝出金(200)的晶格條紋像，該電鏡的線分辨率就是0.204nm，若能拍攝出金(220)的晶格條紋象，線分辨率就是0.144nm。2021/7/945線分辨率定義：指電子圖像中能分辨出的最小晶面間距，也稱晶格分電子與物質(zhì)的相互作用2021/7/946電子與物質(zhì)的相互作用2021/7/946電子與物質(zhì)的相互作用2021/7/947電子與物質(zhì)的相互作用2021/7/947電子與原子核之間的散射電子與物質(zhì)原子核的彈性散射：電子的運動速度不變，方向改變.散射角：與該原子的原子序數(shù)相關；與電子離原子核之間的距離相關。電子與物質(zhì)原子核的非彈性散射：電子的運動速度降低，方向亦改變.電子損失的能量轉化為波長連續(xù)變化的X-射線連續(xù)譜.2021/7/948電子與原子核之間的散射電子與物質(zhì)原子核的彈性散射：電子的運動電子與核外之間的散射電子與核外之間的散射一般為非彈性散射:核外電子接受部分外來電子的能量有如下表現(xiàn)形式:●二次電子●俄歇電子●特征能量損失電子●特征X-射線●陰極熒光等2021/7/949電子與核外之間的散射電子與核外之間的散射一般為非彈性散射:2二次電子(SecondaryElectrons)作用機理

Causedbyanincidentelectronpassing"near"anatominthespecimen,nearenoughtoimpartsomeofitsenergytoalowerenergyelectron(usuallyintheK-shell).Thiscausesaslightenergylossandpathchangeintheincidentelectronandtheionizationoftheelectroninthespecimenatom.Thisionizedelectronthenleavestheatomwithaverysmallkineticenergy(5eV)andisthentermeda"secondaryelectron".Eachincidentelectroncanproduceseveralsecondaryelectrons.2021/7/950二次電子(SecondaryElectrons)作用機理俄歇電子(AugerElectrons)●Source

Causedbythede-energizationofthespecimenatomafterasecondaryelectronisproduced.Sincealower(usuallyK-shell)electronwasemittedfromtheatomduringthesecondaryelectronprocessaninner(lowerenergy)shellnowhasavacancy.Ahigherenergyelectronfromthesameatomcan"fall"toalowerenergy,fillingthevacancy.Thiscreatesandenergysurplusintheatomwhichcanbecorrectedbyemittinganouter(lowerenergy)electron;anAugerElectron.2021/7/951俄歇電子(AugerElectrons)2021/7/9特征X-射線Source

Causedbythede-energizationofthespecimenatomafterasecondaryelectronisproduced.Sincealower(usuallyK-shell)electronwasemittedfromtheatomduringthesecondaryelectronprocessaninner(lowerenergy)shellnowhasavacancy.Ahigherenergyelectroncan"fall"intothelowerenergyshell,fillingthevacancy.Astheelectron"falls"itemitsenergy,usuallyX-raystobalancethetotalenergyoftheatomsoit.2021/7/952特征X-射線Source2021/7/952背散射電子(backscatteredelectrons)Formation

Causedbyanincidentelectroncollidingwithanatominthespecimenwhichisnearlynormaltotheincident'spath.Theincidentelectronisthenscattered"backward"180degrees.2021/7/953背散射電子(backscatteredelectrons)特征能量損失電子晶體可視為固體等離子體,電子在通過晶體時,會引起正負電荷層的等離子振蕩,而使電子損失部分能量.2021/7/954特征能量損失電子晶體可視為固體等離子體,電子在通過晶體時,會吸收電子電子與物質(zhì)原子之間經(jīng)多次非彈性散射而使電子的損失殆盡,該電子被物質(zhì)所吸收.2021/7/955吸收電子電子與物質(zhì)原子之間經(jīng)多次非彈性散射而使電子的損失殆盡透射電子當試樣的厚度足夠薄時,入射電子的能量足夠高時,有部分電子從試樣的背面2021/7/956透射電子當試樣的厚度足夠薄時,入射電子的能量足夠高時,有部分襯度原理及電子衍射原理人眼區(qū)分物體主要是依據(jù)物體上不同部位，或者物體之間的光強度與光波長的區(qū)別。強度差別造成明暗之分，波長的差別造成顏色的不同。這種差別叫做“反差”。透射電鏡的試樣很薄，電子的加速電壓很高，檢測的是透過的電子信號，主要考慮電子的①散射、②干涉和③衍射等作用。穿過試樣后的電子帶有試樣特征的信息。

圖像上明暗(或黑白)的差異稱為圖像的襯度(反差)2021/7/957襯度原理及電子衍射原理人眼區(qū)分物體主要是依據(jù)物體上不同部位，襯度原理及電子衍射原理透射電鏡的圖象襯度主要有：●散射(質(zhì)量-厚度)●衍射●相位差襯度。襯度原理是分析電鏡圖像的基礎.

2021/7/958襯度原理及電子衍射原理透射電鏡的圖象襯度主要有：2021/7電子的散射截面入射電子被試樣中原子散射后偏離入射方向的角度稱為散射角，一個電子被試樣中一個原子散射，散射角大于或等于一定角的幾率稱為該試樣物質(zhì)對電子的“散射截面”，用σα表面。2021/7/959電子的散射截面入射電子被試樣中原子散射后偏離入射方向的角度電子的散射截面隨著Z的增加，散射截面增加，即重元素比輕元素對電子的散射能力強；加速電壓高的電鏡，試樣對電子的散射能力小。2021/7/960電子的散射截面隨著Z的增加，散射截面增加，即重元素比輕元素電子的散射截面由于非彈性散射的電子有能量損失，因而在成像時造成色差，使圖像的清晰度下降。從上二式可知：原子序數(shù)越小，非彈性散射所占的比例越大。因此，利用散射電子成像時，輕元素試樣成像的色差比較大。2021/7/961電子的散射截面由于非彈性散射的電子有能量損失，因而在成像時造散射(質(zhì)量-厚度)襯度的形成電子顯微鏡可以使電子束經(jīng)試樣散射后帶有的散射信息變成為人眼能觀察到的電子圖像。由于試樣上各部位散射能力不同所形成的襯度稱為散射襯度。

2021/7/962散射(質(zhì)量-厚度)襯度的形成電子顯微鏡可以使電子束經(jīng)試樣散射明場像和暗場像

擋住散射電子的方法所得到的圖像稱為明場像，電鏡中通常觀察的是明場像。利用散射電子成像所得到的電子圖像，暗場像與明場像的亮暗相反。2021/7/963明場像和暗場像擋住散射電子的方法所得到的圖像稱為明場像，電明場像物鏡光闌放在物鏡的后焦面上，光闌孔與透鏡同軸，光闌擋住了散射角度大的電子(即擋住了散射電子，只讓透射電子或散射角較小的電子通過光欄孔)。假設A點物質(zhì)比B點物質(zhì)對電子的散射能力強，則透射電子束：IA＜IB，在熒光屏上A’點比B’點暗。這樣，試樣上各處散射能力的差異變成了有明暗反差的電子圖像。

2021/7/964明場像物鏡光闌放在物鏡的后焦面上，光闌孔與透鏡同軸，光闌擋住暗場像實現(xiàn)暗場像的方法：●使光闌孔偏離透鏡軸●使入射電子束傾斜目的是使散射電子從光闌孔中穿過，由散射電子在熒光屏上形成圖像。但電子束傾斜法保持了近軸成像的特點，成像分辨率比較高。2021/7/965暗場像實現(xiàn)暗場像的方法：2021/7/965不銹鋼中的位錯線像明場暗場2021/7/966不銹鋼中的位錯線像明場暗場2021/7/966散射(質(zhì)量-厚度)襯度形成分析以強度為I0的電子束照射在試樣上，試樣的厚度為t，原子量為A(原子序數(shù)為Z)，密度為ρ，對電子的散射截面為σ，則參與成像的電子束強度I為：2021/7/967散射(質(zhì)量-厚度)襯度形成分析以強度為I0的電子束照射在試樣電子反差G圖像上相鄰點的反差決定于成像電子束的強度差，定義電子反差G為：I1與I2為相鄰兩點的成像電子束強度2021/7/968電子反差G圖像上相鄰點的反差決定于成像電子束的強度差，定義散射襯度與原子序數(shù)Z定義物質(zhì)對電子的散射系數(shù)μ為:μ主要決定于元素的原子量.設試樣上相鄰部位的厚度相同圖像上的襯度是由于試樣上各處對電子的透明系數(shù)(由原子序數(shù)所決定)不同而形成的。Z越大，散射強，在明場像中越暗，反之越亮。試樣上相鄰部位的Z相差越大，電子圖像的反差越大。2021/7/969散射襯度與原子序數(shù)Z定義物質(zhì)對電子的散射系數(shù)μ為:圖像上的襯散射襯度與試樣厚度的關系

設試樣上相鄰兩點的物質(zhì)種類和結構完全相同，僅僅是電子穿越的試樣厚度不同，這時.圖像的襯度反映了試樣上各部位的厚度差，熒光屏上暗的部位對應的試樣厚，亮的部位對應的試樣薄，試樣上相鄰部位的厚度相差大時，得到的電子圖像反差大。2021/7/970散射襯度與試樣厚度的關系設試樣上相鄰兩點的物質(zhì)種類和結構完散射襯度與物質(zhì)密度的關系

圖像的襯度還與密度有關。試樣中不同的物質(zhì)或者是不同的聚集狀態(tài)，其密度一般不同，也可以形成圖像的反差，但這種反差一般比較弱。實際上上述幾種因素是同時存在的，所以應用根據(jù)試樣的性質(zhì)結合考慮各因素的影響。從以上分析可知，散射襯度主要反映了試樣的質(zhì)量和厚度的差異，故也將散射襯度稱為質(zhì)量-厚度襯度。2021/7/971散射襯度與物質(zhì)密度的關系圖像的襯度還與密度有關。試樣中不同電子衍射及衍射襯度

與X射線的衍射類似，電子衍射也遵循布拉格定律，即：波長為λ的電子束照射到晶體上，當電子束的入射方向與晶面距離為d的一組晶面之間的夾角θ滿足關系式：時，就在與入射束成2θ的方向上產(chǎn)生衍射束，衍射束會聚成為衍射斑點，晶體試樣的各衍射點構成了電子衍射花樣。2021/7/972電子衍射及衍射襯度與X射線的衍射類似，電子衍射也遵循布拉格電子衍射

布拉格定律的幾何關系圖單晶c-ZrO2

2021/7/973電子衍射布拉格定律的單晶c-ZrO22021/7/973電子衍射

多晶AuSi3N4陶瓷中的非晶態(tài)晶間相2021/7/974電子衍射多晶AuSi3N4陶瓷中的非晶態(tài)晶間相2021/電子衍射與X射線衍射相比，電子衍射主要有以下幾個特點:●電子波波長短，衍射角小(1°～2°)，而X射線衍射角可以大到幾十度?！裎镔|(zhì)對電子的散射作用強，因此電子衍射線強度比X射線的強得多，攝取電子衍射花樣的時間只需幾秒種，而X射線衍射則需數(shù)小時(照相法)?！窨蓪⒕w樣品的顯微像與電子衍射花樣結合起來研究。2021/7/975電子衍射與X射線衍射相比，電子衍射主要有以下幾個特點:20電子衍射圖中表示面間距為d的晶面族(hkl)處滿足布拉格條件的取向,在距離晶體樣品為L的底片上照下了透射斑點O'和衍射斑點G',G'與O'之間的距離為R,從而可知：2021/7/976電子衍射圖中表示面間距為d的晶面族(hkl)處滿足布拉格條電子衍射因為在電子衍射中的衍射角非常小,一般只有1°～2°，所以有：結合Bragg公式知：L--相機長度,是做電子衍射時的儀器常數(shù)。λ--電子束的波長,可根據(jù)加速電壓算出。R--衍射底片上衍射斑點到透射斑點之間的距離。d--該衍射斑點對應的那一組晶面的晶面間距。2021/7/977電子衍射因為在電子衍射中的衍射角非常小,一般只有1°～2°，c-ZrO2衍射斑點(a)[111],(b)[011],(c)[001],(d)[112]2021/7/978c-ZrO2衍射斑點(a)[111],(b)[011],(c衍射襯度

散射(質(zhì)量-厚度)襯度原理適用于非晶態(tài)或者是晶粒非常小的試樣。金屬薄膜樣品的厚度可視為均勻的，樣品上各部分的平均原子序數(shù)也相差不多，不能產(chǎn)生足夠的質(zhì)量-厚度襯度。薄晶試樣電鏡圖像的襯度，是由與樣品內(nèi)結晶學性質(zhì)有關的電子衍射特征所決定的，這種襯度稱衍射襯度(簡稱衍襯)，圖像稱衍襯圖像。2021/7/979衍射襯度散射(質(zhì)量-厚度)襯度原理適用于非晶態(tài)或者是衍射襯度(a)衍襯明場像，(b)衍襯暗場像

2021/7/980衍射襯度(a)衍襯明場像，(b)衍襯暗場像2021/7/98衍射襯度a)衍襯明場像：利用透射電子，而擋住衍射電子而得的電子圖像。b)衍襯暗場像利用衍射電子，而擋住透射電子而得的電子圖像。2021/7/981衍射襯度a)衍襯明場像：b)衍襯暗場像2021/7/981正方ZrO2多晶的衍襯明場像2021/7/982正方ZrO2多晶的衍襯明場像2021/7/982透射電鏡的樣品制備技術

電子束的特點電子速的穿透能力是有限的，在常規(guī)透射電子顯微鏡的工作電壓(50～100kV)的情況下，所觀察的樣品厚度最多不超過0.1μm，而一般樣品(如生物樣品中的細胞)直徑大約都在10μm以上。顯然，電子束(除了在超高壓電子顯微鏡之中)是穿透不過去的，那么也就無法研究它的內(nèi)部結構。2021/7/983透射電鏡的樣品制備技術

電子束的特點2021/7/983對樣品的一般要求

●透射電鏡樣品置于載樣銅網(wǎng)上(φ2～3mm，見圖19)，所觀察的試樣最大尺度不超過1mm。

●樣品必須薄到電子束可以穿透。具體厚度視加速電壓大小和樣品材料而異，在100kV加速電壓下，一般樣品的厚度在100nm左右。

●電鏡鏡筒中處于高真空狀態(tài)，只能研究固體樣品。樣品中若含有水分、易揮發(fā)物質(zhì)及酸堿等腐蝕性物質(zhì)，需事先加以處理。

●樣品需要有足夠的強度和穩(wěn)定性，在電子轟擊下不致?lián)p壞或變化。2021/7/984對樣品的一般要求●透射電鏡樣品置于載樣銅網(wǎng)上(φ2～3mm樣品銅網(wǎng)放大像方孔圓孔2021/7/985樣品銅網(wǎng)放大像方孔圓孔2021/7/985樣品制備

TEM樣品可分為間接樣品和直接樣品。

要求：（1）供TEM分析的樣品必須對電子束是透明的，通常樣品觀察區(qū)域的厚度以控制在約100~200nm為宜。（2）所制得的樣品還必須具有代表性以真實反映所分析材料的某些特征。因此，樣品制備時不可影響這些特征，如已產(chǎn)生影響則必須知道影響的方式和程度。2021/7/986樣品制備TEM樣品可分為間接樣品和直接樣品。2021/7一、間接樣品(復型)的制備

對復型材料的主要要求：①復型材料本身必須是“無結構”或非晶態(tài)的；②有足夠的強度和剛度，良好的導電、導熱和耐電子束轟擊性能。③復型材料的分子尺寸應盡量小，以利于提高復型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的細節(jié)特征。常用的復型材料是非晶碳膜和各種塑料薄膜。2021/7/987一、間接樣品(復型)的制備對復型材料的主要要求：2021/復型的種類按復型的制備方法，復型主要分為：一級復型二級復型萃取復型（半直接樣品）

2021/7/988復型的種類按復型的制備方法，復型主要分為：2021/7/98圖9-14塑料-碳二級復型制備過程示意圖

2021/7/9892021/7/989萃取復型2021/7/9902021/7/990二、直接樣品的制備

1.粉末樣品制備粉末樣品制備的關鍵是如何將超細粉的顆粒分散開來，各自獨立而不團聚。膠粉混合法：在干凈玻璃片上滴火棉膠溶液，然后在玻璃片膠液上放少許粉末并攪勻，再將另一玻璃片壓上，兩玻璃片對研并突然抽開，稍候，膜干。用刀片劃成小方格，將玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片逐漸脫落，用銅網(wǎng)將方形膜撈出，待觀察。支持膜分散粉末法：需TEM分析的粉末顆粒一般都遠小于銅網(wǎng)小孔，因此要先制備對電子束透明的支持膜。常用的支持膜有火棉膠膜和碳膜，將支持膜放在銅網(wǎng)上，再把粉末放在膜上送入電鏡分析。2021/7/991二、直接樣品的制備1.粉末樣品制備2021/7/9912.晶體薄膜樣品的制備一般程序：(1)初減薄——制備厚度約100~200m的薄片；(2)從薄片上切取3mm的圓片；(3)預減薄——從圓片的一側或兩則將圓片中心區(qū)域減薄至數(shù)m；(4)終減薄。2021/7/9922.晶體薄膜樣品的制備一般程序：2021/7/992圖9-15雙噴電解拋光裝置原理圖

2021/7/9932021/7/993圖9-16離子減薄裝置原理示意圖2021/7/9942021/7/994第三節(jié)掃描電子顯微鏡工作原理及構造2021/7/995第三節(jié)掃描電子顯微鏡工作原理及構造2021/7/995第三節(jié)掃描電子顯微鏡工作原理及構造一、工作原理

圖10-1掃描電子顯微鏡原理示意圖2021/7/996第三節(jié)掃描電子顯微鏡工作原理及構造一、工作原理202二、構造與主要性能掃描電子顯微鏡由電子光學系統(tǒng)(鏡筒)、偏轉系統(tǒng)、信號檢測放大系統(tǒng)、圖像顯示和記錄系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等部分組成2021/7/997二、構造與主要性能掃描電子顯微鏡由電子光學系統(tǒng)(鏡筒)、偏1．電子光學系統(tǒng)由電子搶、電磁聚光鏡、光欄、樣品室等部件組成。作用：獲得掃描電子束，作為使樣品產(chǎn)生各種物理信號的激發(fā)源。

2021/7/9981．電子光學系統(tǒng)由電子搶、電磁聚光鏡、光欄、樣品室等部件組圖10-2電子光學系統(tǒng)示意圖

2021/7/9992021/7/999幾種類型電子槍性能比較2021/7/9100幾種類型電子槍性能比較2021/7/91002．偏轉系統(tǒng)作用：使電子束產(chǎn)生橫向偏轉，包括用于形成光柵狀掃描的掃描系統(tǒng)，以及使樣品上的電子束間斷性消隱或截斷的偏轉系統(tǒng)。偏轉系統(tǒng)可以采用橫向靜電場，也可采用橫向磁場。2021/7/91012．偏轉系統(tǒng)作用：使電子束產(chǎn)生橫向偏轉，包括用于形成光柵狀3．信號檢測放大系統(tǒng)作用：收集(探測)樣品在入射電子束作用下產(chǎn)生的各種物理信號，并進行放大。不同的物理信號，要用不同類型的收集系統(tǒng)。閃爍計數(shù)器是最常用的一種信號檢測器，它由閃爍體、光導管、光電倍增管組成。具有低噪聲、寬頻帶(10Hz~1MHz)、高增益(106)等特點，可用來檢測二次電子、背散射電子等信號。2021/7/91023．信號檢測放大系統(tǒng)作用：收集(探測)樣品在入射電子束作用4．圖像顯示和記錄系統(tǒng)作用：將信號檢測放大系統(tǒng)輸出的調(diào)制信號轉換為能顯示在陰極射線管熒光屏上的圖像，供觀察或記錄。2021/7/91034．圖像顯示和記錄系統(tǒng)作用：將信號檢測放大系統(tǒng)輸出的調(diào)制信5．電源系統(tǒng)作用：為掃描電子顯做鏡各部分提供所需的電源。由穩(wěn)壓、穩(wěn)流及相應的安全保護電路組成2021/7/91045．電源系統(tǒng)作用：為掃描電子顯做鏡各部分提供所需的電源。26．真空系統(tǒng)

作用：確保電子光學系統(tǒng)正常工作、防止樣品污染、保證燈絲的工作壽命等。2021/7/91056．真空系統(tǒng)作用：確保電子光學系統(tǒng)正常工作、防止樣品污染、SEM的主要性能（1）放大倍數(shù)

可從20倍到20萬倍連續(xù)調(diào)節(jié)。（2）分辨率影響SEM圖像分辨率的主要因素有：①掃描電子束斑直徑；②入射電子束在樣品中的擴展效應；③操作方式及其所用的調(diào)制信號；④信號噪音比；⑤雜散磁場；⑥機械振動將引起束斑漂流等，使分辨率下降。（3）景深SEM（二次電子像）的景深比光學顯微鏡的大，成像富有立體感。2021/7/9106SEM的主要性能（1）放大倍數(shù)2021/7/9106掃描電子顯微鏡景深2021/7/9107掃描電子顯微鏡景深2021/7/9107像襯原理與應用一、像襯原理

像的襯度就是像的各部分(即各像元)強度相對于其平均強度的變化。SEM可以通過樣品上方的電子檢測器檢測到具有不同能量的信號電子有背散射電子、二次電子、吸收電子、俄歇電子等。2021/7/9108像襯原理與應用一、像襯原理2021/7/91081．二次電子像襯度及特點二次電子信號主要來自樣品表層5~10nm深度范圍，能量較低(小于50eV)。影響二次電子產(chǎn)額的因素主要有：(1)二次電子能譜特性；(2)入射電子的能量；(3)材料的原子序數(shù)；(4)樣品傾斜角。

2021/7/91091．二次電子像襯度及特點二次電子信號主要來自樣品表層5~1二次電子像的襯度可以分為以下幾類：(1)形貌襯度(2)成分襯度(3)電壓襯度(4)磁襯度(第一類)右圖為形貌襯度原理2021/7/9110二次電子像的襯度可以分為以下幾類：(1)形貌襯度2021二次電子像襯度的特點：（1）分辨率高（2）景深大，立體感強（3）主要反應形貌襯度。

什么是最小襯度？2021/7/9111二次電子像襯度的特點：（1）分辨率高2021/7/9111ZnO2021/7/9112ZnO2021/7/9112水泥漿體斷口2021/7/9113水泥漿體斷口2021/7/91132．背散射電子像襯度及特點影響背散射電子產(chǎn)額的因素有：(1)原子序數(shù)Z(2)入射電子能量E0

(3)樣品傾斜角

圖10-6背散射系數(shù)與原子序數(shù)的關系2021/7/91142．背散射電子像襯度及特點影響背散射電子產(chǎn)額的因素有：2背散射電子襯度有以下幾類：(1)成分襯度(2)形貌襯度(3)磁襯度(第二類)2021/7/9115背散射電子襯度有以下幾類：(1)成分襯度2021/7/9背散射電子像的襯度特點：（1）分辯率低（2）背散射電子檢測效率低，襯度?。?）主要反應原子序數(shù)襯度2021/7/9116背散射電子像的襯度特點：（1）分辯率低2021/7/911二次電子運動軌跡背散射電子運動軌跡圖10-7二次電子和背散射電子的運動軌跡2021/7/91172021/7/9117應用1．斷口形貌觀察2．顯微組織觀察3．其它應用（背散射電子衍射花樣、電子通道花樣等用于晶體學取向測定）2021/7/9118應用1．斷口形貌觀察2021/7/9118掃描電鏡標本制備充分暴露表面，加以固定使之保持完好臨界點干燥導電處理2021/7/9119掃描電鏡標本制備充分暴露表面，加以固定使之保持完好20211暴露表面與固定[目的]充分暴露表面，加以固定使之保持完好組織或器官的自然表面（如器管或腸腔的自然表面）酶消化，低頻超聲振動，生理鹽水噴射沖洗——清除表面附著的粘液或富于蛋白質(zhì)的液體細胞內(nèi)部結構冷凍斷裂，蝕刻——暴露結構2021/7/91201暴露表面與固定[目的]充分暴露表面，加以固定使之保持完戊二醛（GA）與四氧化鋨兩步固定(1)1-3%GA1-2h(2)dd水沖洗(3)1%四氧化鋨1h(4)dd水沖洗*暴露表面可在固定過程或固定后清洗過程中完成

2021/7/9121戊二醛（GA）與四氧化鋨兩步固定2021/7/91212干燥（臨界點法）必要性在空氣中自然干燥表面張力破壞表面微細結構（水，乙醇，丙酮）臨界點干燥臨界狀態(tài)2021/7/91222干燥（臨界點法）必要性2021/7/9122臨界狀態(tài)lg封閉容器初始：ρl>

ρg加熱：ρl，ρg臨界點：ρl=ρg(無表面張力)（臨界溫度，臨界壓力）2021/7/9123臨界狀態(tài)lg封閉容器初始：ρl>ρg2021/7/9臨界條件水：T=375oC,P=218atm×CO2(L)：T=31.4C,P=72.9atm2021/7/9124臨界條件水：T=375oC,P=218atm50%70%(80%)90%100%100%10-15m10-15m10-15m10-15m45m45m置換：醋酸異戊酯置換乙醇，~0.5h脫水：臨界點干燥：2021/7/912550%70%(80%)90%100%100%10-15m102021/7/91262021/7/91263導電處理[目的]將射入的電子導走，將熱量導走,同時增加二次電子產(chǎn)率在標本與金屬底座之間形成連續(xù)的金屬膜，金屬底座與儀器外殼連接，接地導電膠：石墨乳膠，摻銀粉或鋁粉的火棉膠金屬（膜）：Au,Au-Pd,Pt,Pt-C2021/7/91273導電處理[目的]將射入的電子導走，將熱量導走,同時增加真空噴鍍儀2021/7/9128真空噴鍍儀2021/7/9128離子鍍膜儀2021/7/9129離子鍍膜儀2021/7/9129鍍膜厚度2021/7/9130鍍膜厚度2021/7/9130第四節(jié)電子探針X射線顯微分析（EPMA）

EPMA的構造與SEM大體相似，只是增加了接收記錄X射線的譜儀。EPMA使用的X射線譜儀有波譜儀和能譜儀兩類。2021/7/9131第四節(jié)電子探針X射線顯微分析（EPMA）EPMA的構造圖10-17電子探針結構示意圖2021/7/91322021/7/9132一、能譜儀

能譜儀全稱為能量分散譜儀(EDS)．目前最常用的是Si(Li)X射線能譜儀，其關鍵部件是Si(Li)檢測器，即鋰漂移硅固態(tài)檢測器，它實際上是一個以Li為施主雜質(zhì)的n-i-p型二極管。圖10-18Si(Li)檢測器探頭結構示意圖

2021/7/9133一、能譜儀能譜儀全稱為能量分散譜儀(EDS)．2021/7以Si(Li)檢測器為探頭的能譜儀實際上是一整套復雜的電子學裝置。圖10-19Si(Li)X射線能譜儀2021/7/9134以Si(Li)檢測器為探頭的能譜儀實際上是一整套復雜的電子學Si(Li)能譜儀的優(yōu)點：(1)分析速度快能譜儀可以同時接受和檢測所有不同能量的X射線光子信號，故可在幾分鐘內(nèi)分析和確定樣品中含有的所有元素，帶鈹窗口的探測器可探測的元素范圍為11Na~92U，20世紀80年代推向市場的新型窗口材料可使能譜儀能夠分析Be以上的輕元素，探測元素的范圍為4Be~92U。(2)靈敏度高X射線收集立體角大。由于能譜儀中Si(Li)探頭可以放在離發(fā)射源很近的地方(10㎝左右)，無需經(jīng)過晶體衍射，信號強度幾乎沒有損失，所以靈敏度高(可達104cps/nA，入射電子束單位強度所產(chǎn)生的X射線計數(shù)率)。此外，能譜儀可在低入射電子束流(10-11A)條件下工作，這有利于提高分析的空間分辨率。(3)譜線重復性好。由于能譜儀沒有運動部件，穩(wěn)定性好，且沒有聚焦要求，所以譜線峰值位置的重復性好且不存在失焦問題，適合于比較粗糙表面的分析工作。2021/7/9135Si(Li)能譜儀的優(yōu)點：(1)分析速度快能譜儀可能譜儀的缺點：(1)能量分辨率低，峰背比低。由于能譜儀的探頭直接對著樣品，所以由背散射電子或X射線所激發(fā)產(chǎn)生的熒光X射線信號也被同時檢測到，從而使得Si(Li)檢測器檢測到的特征譜線在強度提高的同時，背底也相應提高，譜線的重疊現(xiàn)象嚴重。故儀器分辨不同能量特征X射線的能力變差。能譜儀的能量分辨率(130eV)比波譜儀的能量分辨率(5eV)低。(2)工作條件要求嚴格。Si(Li)探頭必須始終保持在液氦冷卻的低溫狀態(tài)，即使是在不工作時也不能中斷，否則晶體內(nèi)Li的濃度分布狀態(tài)就會因擴散而變化，導致探頭功能下降甚至完全被破壞。2021/7/9136能譜儀的缺點：(1)能量分辨率低，峰背比低。由于能譜儀的探二、波譜儀波譜儀全稱為波長分散譜儀(WDS)。在電子探針中，X射線是由樣品表面以下m數(shù)量級的作用體積中激發(fā)出來的，如果這個體積中的樣品是由多種元素組成，則可激發(fā)出各個相應元素的特征X射線。被激發(fā)的特征X射線照射到連續(xù)轉動的分光晶體上實現(xiàn)分光(色散)，即不同波長的X射線將在各自滿足布拉格方程的2方向上被(與分光晶體以2:1的角速度同步轉動的)檢測器接收。2021/7/9137二、波譜儀波譜儀全稱為波長分散譜儀(WDS)。2021/7波譜儀的特點：波譜儀的突出優(yōu)點是波長分辨率很高。如它可將波長十分接近的VK(0.228434nm)、CrK1(0.228962nm)和CrK2(0.229351nm)3根譜線清晰地分開。但由于結構的特點，譜儀要想有足夠的色散率，聚焦圓的半徑就要足夠大，這時彎晶離X射線光源的距離就會變大，它對X射線光源所張的立體角就會很小，因此對X射線光源發(fā)射的X射線光量子的收集率也就會很低，致使X射線信號的利用率極低。此外，由于經(jīng)過晶體衍射后，強度損失很大，所以，波譜儀難以在低束流和低激發(fā)強度下使用，這是波譜儀的兩個缺點。2021/7/9138波譜儀的特點：波譜儀的突出優(yōu)點是波長分辨率很高。如它可將波長(a)能譜曲線；(b)波譜曲線能譜議和波譜儀的譜線比較2021/7/9139能譜議和波譜儀的譜線比較2021/7/9139電子探針分析的基本工作方式一是定點分析，即對樣品表面選定微區(qū)作定點的全譜掃描，進行定性或半定量分析，并對其所含元素的質(zhì)量分數(shù)進行定量分析；二是線掃描分析，即電子束沿樣品表面選定的直線軌跡進行所含元素質(zhì)量分數(shù)的定性或半定量分析；三是面掃描分析，即電子束在樣品表面作光柵式面掃描，以特定元素的X射線的信號強度調(diào)制陰極射線管熒光屏的亮度，獲得該元素質(zhì)量分數(shù)分布的掃描圖像。2021/7/9140電子探針分析的基本工作方式一是定點分析，即對樣品表面選定微下圖給出了ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相與基體定點成分分析結果，可見析出相（t相）Y2O3含量低，而基體(c相)Y2O3含量高，這和相圖是相符合的。ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相與基體的定點分析(圖中數(shù)字為Y2O3mol%)2021/7/9141下圖給出了ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相與基體定點成分分析結下圖給出BaF2晶界線掃描分析的例子，圖(a)為BaF2晶界的形貌像和線掃描分析的位置，圖(b)為O和Ba元素沿圖(a)直線位置上的分布，可見在晶界上有O的偏聚。BaF2晶界的線掃描分析(a)形貌像及掃描線位置；(b)O及Ba元素在掃描線位置上的分布2021/7/9142下圖給出BaF2晶界線掃描分析的例子，圖(a)為BaF2晶界下圖給出ZnO-Bi2O3陶瓷試樣燒結自然表面的面分布分析結果，可以看出Bi在晶界上有嚴重偏聚。ZnO-Bi2O3陶瓷燒結表面的面分布成分分析(a)形貌像；(b)Bi元素的X射線面分布像2021/7/9143下圖給出ZnO-Bi2O3陶瓷試樣燒結自然表面的面分布分析結Preparationofnanotube-shapedTiO2powder2021/7/9144Preparationofnanotube-shaped2021/7/91452021/7/91452021/7/91462021/7/91462021/7/91472021/7/91472021/7/91482021/7/9148第二章電子顯微分析2021/7/9149第二章電子顯微分析2021/7/91第一節(jié)基本原理2021/7/9150第一節(jié)基本原理2021/7/顯微鏡眼晴的局限性準確性、靈敏性、適應性和精密的分辨能力。人眼觀察物體的粒度極限為0.1mm！光學顯微鏡可以看到象：細菌、細胞那樣小的物體。但光學顯微鏡超過一定放大率以后就失去了作用，最好的光學顯微鏡的放大極限是：2000倍2021/7/9151顯微鏡眼晴的局限性光學顯微鏡2021/7/93阿貝(AbbeE.K.)定律2021/7/9152阿貝(AbbeE.K.)定律2021/7/94阿貝定律的意義由阿貝定律知：減小r值的途徑有：(1)↑(物鏡的數(shù)值孔徑)N.A，即↑n和α(2)↓λ當用可見光作光源，采用組合透鏡、大的孔徑角(即用高倍數(shù)物鏡)以及高折射率介質(zhì)浸沒物鏡時，數(shù)值孔徑N.A可提高到1.5～1.6。得r≌λ/2

光學顯微鏡的極限分辨本領大約是所使用的照明光線波長的一半

2021/7/9153阿貝定律的意義由阿貝定律知：2021/7/95德布洛依電子波概念X射線的波長很短，在0.05～10nm范圍，但是至今還不知道有什么物質(zhì)能使X射線有效地改變方向、折射和聚焦成像，即X射線很難操縱。任何運動的微觀粒子伴隨著一個波。他預言，這種伴隨著粒子的波，其波長與粒子的質(zhì)量和速度的乘積與反比，即：

由于電子在電場或磁場中易于改變運動的方向。且電子波的波長比可見光波短得多，所以電子顯微鏡在高放大倍數(shù)時所能達到的分辨率比光學顯微鏡高得多。2021/7/9154德布洛依電子波概念X射線的波長很短，在0.05～1電子顯微鏡的發(fā)展簡史●1932年克諾爾(KnollM.)和魯斯卡(RuskaE.)在德國制作了第一臺透射電鏡TEMTEM--TransmissionElectronMicroscope●1939年，商品電子顯微鏡已在市場上出現(xiàn)，德國西門子公司生產(chǎn)了分辨本領優(yōu)于10nm的商品電子顯微鏡?！裎覈?959年開始制造電鏡?！瘳F(xiàn)代透射電鏡的放大倍數(shù)可以達到200萬倍以上，其分辨本領已經(jīng)達到原子大小的水平。2021/7/9155電子顯微鏡的發(fā)展簡史●1932年克諾爾(KnollM.)電子光源1初速度的電子，受到電位差為U的電場加速獲得能量，根據(jù)能量守恒原理，假設Ｕ不太高，電子獲得的動能為：有由電子的波長為：

2021/7/9156電子光源1初速度的電子，受到電位差為U的電場加速獲得能量，電子光源2電子顯微鏡電壓一般大小幾十kV，此時電子的速度接近光速，必須考慮相對論效應。另外，在電位差為U的電場作用下，一個靜止電子所獲得的動能等于電子的總能量mc2與靜止能量m0c2之差，即：

2021/7/9157電子光源2電子顯微鏡電壓一般大小幾十kV，此時電子的速度接近電子光源3由上兩式可得：因此電子的速度為：電子的波長計算公式為：2021/7/9158電子光源3由上兩式可得：2021/7/910電子光源4常用加速電壓與電子波的波長：透射電鏡的加速電壓一般在50～100kV，電子的波長在0.00536～0.00370nm比可見光的波長小幾十萬倍。比結構分析中常用的X射線的波長也小1～2個數(shù)量級。2021/7/9159電子光源4常用加速電壓與電子波的波長：2021/7/911電子透鏡---電子光學折射定律

電子在靜電場中受到的洛倫茲力(Lorentz)為:式中為電場強度矢量。2021/7/9160電子透鏡---電子光學折射定律電子在靜電場中受到的洛倫茲力電子透鏡---電子光學折射定律如果電子不是沿著電場的方向運動(沿電場為直線運動)，電場將使運動的電子發(fā)生折射。電子從電位為U1的區(qū)域進入電位為U2的區(qū)域(界面為AB)，如圖所示：

2021/7/9161電子透鏡---電子光學折射定律如果電子不是沿著電場的電子透鏡---電子光學折射定律在界面處，電子速度由(是它們相應的切向分量，由于在平行于界面的方向沒有電場力的作用，因此有：這里α1,α2為電子運動方向與電場等位面的法線間的夾角。2021/7/9162電子透鏡---電子光學折射定律在界面處，電子速度由2021/靜電透鏡

●陰極:零電位●陽極:正電位●控制極:負電位。陰極尖端附近的自由電子在陽極作用下獲得加速度?？刂茦O附近的電場(推著電子)對電子起會聚作用，陽極附近的電場對電子有“拉”作用，即有發(fā)散作用，但因這時電了的速度很大，所以發(fā)散作用較小。2021/7/9163靜電透鏡●陰極:零電位2021/7/915靜電透鏡---受力分析

電子在控制極附近時(A點)。電場強度矢量E垂直于電場等位面，指向電位低的方向，電子受到的作用力F與E的方向相反：F→Fz,Fr(Fz:平行對稱軸,Fr向?qū)ΨQ軸)Fz和Fr的作用使各個方向的電子向軸靠近，形成向軸會聚的電子束。在陽極附近，如在B點：F→Fz,Fr(Fr背離對稱軸的方向)這時電子束受到發(fā)散作用，但由于電子的速度已經(jīng)很大，故發(fā)散作用較小。這一電子光學系統(tǒng)與玻璃光學透鏡系統(tǒng)極為相似。2021/7/9164靜電透鏡---受力分析電子在控制極附近時(A點)。電場強度靜電透鏡---結論軸對稱的彎曲電場對電子束有會聚成像的性質(zhì)，這種

對稱的電場系統(tǒng)----被稱為靜電電子透鏡(簡稱靜電透鏡)。靜電透鏡主要用做各種電子顯微鏡的電子槍，因為只有靜電場才可能使自由電子增加動能，從而得到高速運動電子構成的電子束。2021/7/9165靜電透鏡---結論軸對稱的彎曲電場對電子束有會聚成像的性質(zhì)，磁透鏡---原理2021/7/9166磁透鏡---原理2021/7/918磁透鏡---電子運動方向；2021/7/9167磁透鏡---電子運動方向；2021/7/919磁透鏡---電子運動方向（左）電子在磁場中運動時將產(chǎn)生三個運動分量：a)軸向運動(速度Vz)b)繞軸旋轉(速度為Vθ)c)指向軸的運動(速度為Vr)，徑向分量?？偟慕Y果：電子以螺旋方式不斷地靠近軸向前運動著。電子運動到磁場的右半部時：由于磁力線的方向改變，使得Hr改變方向，F(xiàn)θ也改變方向。在Fθ的作用下，使Vθ減小，但Vθ的方向不變，F(xiàn)r的方向也不變，所以電子的運動仍然是向軸會聚。2021/7/9168磁透鏡---電子運動方向（左）電子在磁場中運動時將產(chǎn)生三個磁透鏡---結論通電流的圓柱形線圈產(chǎn)生軸對稱的磁場，這種磁場對電子束有會聚成像的性質(zhì)，在電子光學中:軸對稱磁場系統(tǒng)(通電流的圓柱形線圈)稱為磁電子透鏡(簡稱磁透鏡)。2021/7/9169磁透鏡---結論通電流的圓柱形線圈產(chǎn)生軸對稱的磁場，這種磁磁透鏡種類---短磁透鏡

磁場沿軸延伸的范圍遠小于焦距的透鏡稱短磁透鏡。通電流的短線圈及帶有鐵殼的線圈都可以形成短磁透鏡。2021/7/9170磁透鏡種類---短磁透鏡磁場沿軸延伸的范圍遠小于焦距的透磁透鏡種類---短磁透鏡對于短磁透鏡：其中f為透鏡的焦距，p為物距，q為象距。U是加速電壓，NI為透鏡線包的安匝數(shù)，R為線包的半徑，A是與透鏡結構條件有關的常數(shù)(A>0)。

●f>0，表明磁透鏡總是會聚透鏡?！駀∝1/I2,表明當勵磁電流稍有變化時，在電子顯微鏡中，通過改變磁透鏡電流，來改變放大倍數(shù)及調(diào)節(jié)圖象的聚焦和亮度?！窠咕鄁與加速電壓U有關，加速電壓不穩(wěn)定將使圖象不清晰。2021/7/9171磁透鏡種類---短磁透鏡對于短磁透鏡：●f>0，表明磁透磁透鏡種類---帶極靴的磁透鏡在磁透鏡的鐵殼上加特殊形狀的極靴，可以使透鏡的f變得更短，從圖可知，加極靴后，使得磁場強度更強而且更集中，其磁場強度可達到103～104奧斯特，f可減小到幾mm。常用的極靴材料：Fe-Co合金，F(xiàn)e-Co-Ni合金(鐵磁性材料)。2021/7/9172磁透鏡種類---帶極靴的磁透鏡在磁透鏡的鐵殼上加特殊形狀的磁透鏡種類---特殊磁透鏡

不對稱磁透鏡上下極靴的孔徑不相同的磁透鏡稱不對稱磁透鏡。如用于透射電鏡的物鏡，上極靴孔要大一些，使試樣能放在透鏡的焦點位置附近，并便于試樣的傾斜和移動。掃描電鏡中物鏡的下極靴孔比上極靴孔大，以便于在其附近安放某些附件。單場透鏡有的電鏡是將試樣放在透鏡的上、上極靴中間的位置，上極靴附近的磁場起會聚電子束的作用，下極靴附近的磁場起物鏡作用，這種透鏡稱單場磁透鏡。單場磁透鏡的焦距很短，約等于透鏡磁場的半寬度，而且它的球差可以比普通磁透鏡小一個數(shù)量級，有利于提高透鏡的分辨本領。2021/7/9173磁透鏡種類---特殊磁透鏡不對稱磁透鏡單場透鏡2021/磁透鏡與靜電透鏡的比較雖然靜電透鏡也可以做成會聚透鏡，但現(xiàn)代透射電子顯微鏡中幾乎都采用磁透鏡作會聚透鏡，其主要原因有兩點：

●磁透鏡的焦距可以做得很短，可獲得較高的放大倍數(shù)和較小的球差。●靜電透鏡要求高電壓，但高壓總是危險的！2021/7/9174磁透鏡與靜電透鏡的比較雖然靜電透鏡也可以做成會聚透鏡，但現(xiàn)電子透鏡的缺陷

上面討論的電子透鏡的聚焦成像問題是有條件，即假定：

●軌跡滿足旁軸條件

●速度(決定了電子的波長)完全相同

●(透鏡電磁場)具有理想的軸對稱性。實際情況與理想條件的偏離，造成了電子透鏡的各種象差。象差的存在，影響圖象的清晰度和真實性，決定了透鏡只具有一定的分辨本領，從而限制了電子顯微鏡的分辨本領2021/7/9175電子透鏡的缺陷上面討論的電子透鏡的聚焦成像問題是有條件，即電子透鏡的主要象差---球面象差

球面象差

物點P。旁軸電子形成的高斯象是P'點,通過高斯象點垂直于光軸的平面稱高斯平面。由于透鏡光闌有一定大小,所以同是從P點發(fā)現(xiàn)的電子,當張角不同時,落在高斯平面的不同點上。假設張角最大的電子落在P''點,在高斯平面上,所得到的象是以P'P''為半徑的圓斑。軸上一物點的象成了有一定大小的圓斑,球差幾乎是一種無法克服的象差。2021/7/9176電子透鏡的主要象差---球面象差球面象差物點P。旁軸電電子透鏡的主要象差---色差在光學中，由于光的顏色(具有不同波長)的差異產(chǎn)生的象差稱色差。在電子光學中，電子透鏡成象也有色差。加速電壓的波動以及陰極逸出電子能量的起伏，使得成象電子的波長不完全相同，使透鏡的焦距發(fā)生變化。這種色差使得一個物點變成為某種散射圖形，影響了圖象的清晰度。2021/7/9177電子透鏡的主要象差---色差在光學中，由于光的顏色(具有電子透鏡的主要象差---軸上象散

實際的透鏡磁場或電場不是理想的旋轉對稱場，這使得透鏡在不同方向上的焦距不相同。物點P在xz平面上成象于Px點,在yz平面上成象于Py點，使得一個物點所成的象是圓斑或橢圓斑，圖象變得不清晰。軸上象散是影響電鏡分辨本領的主要象差之一。為了盡量減小軸上象散,各種電鏡都配置有消除象散的設備。2021/7/9178電子透鏡的主要象差---軸上象散實際的透鏡磁場或電場不是第二節(jié)透射電子顯微鏡2021/7/9179第二節(jié)透射電子顯微鏡2021/7/931第