觀察微觀世界的重要工具最早的巨型電子顯微鏡電子流波長(zhǎng)很短（100000×）（ErnstRuska）20C30s內(nèi)容回顧

國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩rContents

常規(guī)TEM（120kV）Contents掃描電子顯微鏡公司名稱(chēng)透射電鏡型號(hào)加速電壓分辨率日本電子（JEOL）JEM140040kV-120kV0.2nmJEM2100F200kV0.19nmJEM-1000kRS1000kV0.1nm日本日立（HITACHI）H-765040kV-120kV0.2nmHF-3300300kV0.19nm美國(guó)FEITecnaiG20200kV0.19nmTecnaiG2F30300kV0.2nm德國(guó)蔡司（CarlZeiss

）LIBRA12040kV-120kV0.34nmLIBRA200FE200kV0.24nm中科科儀（KYKY）DX-4（停產(chǎn)）100kV0.3nm上海光學(xué)技術(shù)研究所DXT-100A(停產(chǎn))100kV1nm北京航空航天大學(xué)TDX-200F200kV0.25nm成像系統(tǒng)TEM模式衍射模式物鏡第一中間鏡第二中間鏡投影鏡200kV場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡

參考報(bào)價(jià)

元USD(美元)型號(hào)

JSM-2100F品牌

日本電子產(chǎn)地

日本技術(shù)參數(shù)：

1.點(diǎn)分辨率：0.19nm

2.線分辨率：0.14nm

3.加速電壓：80,100,120,160,200kV

4.傾斜角：25

5.STEM分辨率：0.20nm

高速分析熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡

參考報(bào)價(jià)

400000元USD(美元)型號(hào)

JSM-7001F品牌

日本電子產(chǎn)地

日本技術(shù)參數(shù)：

1.分辨率：1.2nm(30kV)/3.0nm(1kV)

2.加速電壓：0.2KV-30kV

3.放大倍數(shù)：10-100萬(wàn)倍

4.大束流高分辨5nA，WD10mm;15kV時(shí)分辨率3.0nm

5.束流強(qiáng)度：1pA到200nA(15KV)

FIB-SEM雙束設(shè)備球面像差彗形像差像散像場(chǎng)彎曲畸變像差單色像差色像差像差分類(lèi)像差：任何偏離理想成像的現(xiàn)象球面像差、彗形像差：大孔徑成像。像散、像場(chǎng)彎曲、畸變：大視場(chǎng)成像。球差、彗差、像散：破壞光束同心性像場(chǎng)彎曲：使像平面彎曲像散：破壞物像相似性單色像差影響：2彗形像差（彗差）傍軸物點(diǎn)發(fā)出的寬光束經(jīng)球面系統(tǒng)在像平面上形成彗星狀的像斑。經(jīng)過(guò)光瞳面上各個(gè)圓周的光線在像平面上仍將落在一系列圓周上，不過(guò)這些圓周不再是同心圓，半徑愈大的圓，其中心離理想像點(diǎn)愈遠(yuǎn)，形成如彗星狀光斑。3像散和像場(chǎng)彎曲物點(diǎn)遠(yuǎn)離光軸，光束大傾角入射引起像散：出射光束截面一般為橢圓；形成兩互相垂直散焦線，子午焦線和弧矢焦線子午焦線和弧矢焦線之間，光束存在一個(gè)圓截面，稱(chēng)為最小模糊圓，是放置接收器的最佳位置。像場(chǎng)彎曲物平面4畸變不破壞光束同心性，因此不影響像的清晰度，但使物像各部分比例失調(diào)。物枕形畸變桶形畸變畸變與孔徑光闌位置有關(guān)畸變（電子光學(xué)）物離軸很遠(yuǎn)，透鏡的放大率不均勻，畸變不會(huì)引起像的不清晰，只造成圖像的失真。色差消除：使用不同材料做成的凹凸透鏡膠合起來(lái)可以對(duì)選定的兩種波長(zhǎng)消除色差。大小不同－橫向色差。位置不同－軸向色差；位置色差放大率色差透鏡的機(jī)械像差（1）電極電位擾動(dòng)為：

引入變量

微分方程：

邊界條件：

擾動(dòng)電極上

其他電極上

非對(duì)中和傾斜將會(huì)引起束的偏移和彗差，橢圓變形將會(huì)引起像散。提高加工和裝配的精度減小機(jī)械變形引起的像差，還應(yīng)采用非對(duì)稱(chēng)場(chǎng)進(jìn)行校正?？臻g電荷像差離子之間的庫(kù)侖力作用簡(jiǎn)單模型下單位時(shí)間單位體積中全部離子能量分布的擴(kuò)展為：為離子密度，為初始速度，為離子的電荷，為離子質(zhì)量，為熱力學(xué)系數(shù)，初始振動(dòng)周期，為離子間為碰撞后散射偏轉(zhuǎn)角等于的瞄準(zhǔn)距離。

的平均距離，

離子間的庫(kù)侖力主要集中在源發(fā)射區(qū)域附近和聚焦系統(tǒng)中，一般采用蒙那卡羅方法模擬仿真，庫(kù)侖作用引起的像差主要包括四種：球差、軌跡偏移、散焦以及色差，其中色差方面的像差跟熱初速有關(guān)，與源的參數(shù)關(guān)系最為密切，不能消除。

謝爾赤原理“在靜的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)、無(wú)空間電荷的透鏡成像系統(tǒng)中，球差系數(shù)恒大于零”。球差是軸上唯一不等于零的幾何像差，對(duì)束的質(zhì)量影響很大；“在靜的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)、無(wú)空間電荷的透鏡成像系統(tǒng)中，色差系數(shù)恒大于零”。球差系數(shù)和色差系數(shù)作為透鏡優(yōu)化的目標(biāo)。實(shí)用電磁場(chǎng)的求解方法解析法、數(shù)值計(jì)算法和試驗(yàn)測(cè)量法

解析法—電（磁）極形狀較簡(jiǎn)單，定性分析特定場(chǎng)的性質(zhì)，其它方法誤差計(jì)算的理論依據(jù)。數(shù)值計(jì)算法—精度高，成為目前最常用的方法，新的學(xué)科“計(jì)算電磁學(xué)”。實(shí)驗(yàn)測(cè)量法—方便可靠、實(shí)用性，上個(gè)世紀(jì)中葉計(jì)算場(chǎng)分布的主要手段，缺點(diǎn)精度低。電子光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)求解場(chǎng)分布－有限元素法和電荷密度法軌跡的求解－龍格-庫(kù)塔法光學(xué)參量的求解－公式法、實(shí)際軌跡法和自動(dòng)微分法

自動(dòng)微分算法中，向量同時(shí)包含函數(shù)值和各階導(dǎo)數(shù)值，在求函數(shù)值的同時(shí)可自動(dòng)求出任意階導(dǎo)數(shù)；它能將函數(shù)求導(dǎo)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為微分向量的代數(shù)運(yùn)算，而沒(méi)有算法誤差。所以自動(dòng)微分法軌跡追蹤的同時(shí)能得到各階像差系數(shù)，理論上消除了公式法計(jì)算光學(xué)參量時(shí)由高斯軌跡取代實(shí)際軌跡引進(jìn)的偏差。

計(jì)算電磁學(xué)仿真方法—有限差分法、有限元素法、邊界元法和傅立葉展開(kāi)法

仿真軟件—ANSYS、ANSOFT、ADINA、ABAQUS、MSC和MEBS

設(shè)計(jì)一款TEM-分辨率0.25nm，加速電壓200Kv物鏡電子槍照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)內(nèi)容回顧極限分辨率和點(diǎn)分辨率非相干照明—樣品兩點(diǎn)發(fā)射的電子波互不干涉無(wú)重原子的薄樣品，Scherzer最佳欠焦量條件下“直觀像”

物鏡球差系數(shù)1.38mm，最佳角8.49mrad。像差系數(shù)分清物方和像方艾里斑半徑和球差斑半徑：電子波長(zhǎng)的計(jì)算當(dāng)速度u與光速c可比時(shí)為:MEBS程序示例采用有限元法計(jì)算的場(chǎng)分布單位：mm物鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)

磁透鏡的一般結(jié)構(gòu)：極靴參數(shù)S/D的選擇：極靴參數(shù)S/D的選擇：S/D=1.8時(shí)，球差和色差對(duì)透鏡的影響最小材料的選擇：

物鏡加工材料的選擇，極靴部分采用1J22鐵鈷合金，其它磁路部分采用DT4C電工純鐵。1J22:BS=2.4TDT4C:BS=1.6T物鏡的關(guān)鍵參數(shù)：下極靴第一錐角

下極靴第一錐角的選擇：下極靴第一錐角的選擇：物鏡結(jié)構(gòu)：物鏡軸上磁場(chǎng)分布：物鏡極靴和磁路上磁場(chǎng)分布：物鏡光學(xué)特性：物鏡的激勵(lì)像平面位置物鏡的光學(xué)特性參數(shù)透鏡激勵(lì)透鏡中心主平面物方焦點(diǎn)焦距大小像平面放大倍率球差系數(shù)理論點(diǎn)分辨率優(yōu)化目標(biāo)分辨率9926.1700633.02mm634.7582mm632.9558mm1.8023mm809.4947mm96.565×1.25mm0.247nm0.25nm48物鏡極靴設(shè)計(jì)圖結(jié)構(gòu)仿真受力仿真壓力3500N自重底面支撐有限元模型及載荷邊界條件變形云圖52透鏡實(shí)物高亮度電子槍的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電子槍的工作機(jī)理電子槍的基本參數(shù)電子槍的計(jì)算仿真與設(shè)計(jì)一、電子槍的發(fā)射機(jī)理1A熱發(fā)射—高溫鎢燈絲陰極2B場(chǎng)發(fā)射—105V/cm，肖特基效應(yīng)3C量子隧道效應(yīng)-STM4場(chǎng)發(fā)射分類(lèi)發(fā)射體前電子的勢(shì)能曲線V(z)，

外加電場(chǎng)-eIEIz。第1種第2種第3種冷場(chǎng)

(ColdFieldEmission,CFE)熱發(fā)射(ThermalFieldEmission,TF)肖特基(SchottkyEmission,SE)肖特基熱發(fā)射陰極（單晶六硼化鑭或者ZrO/W)為小于1μm，冷場(chǎng)發(fā)射陰極小于100nm，熱場(chǎng)發(fā)射陰極在100nm到1μm之間

六硼化鑭燈絲鎢燈絲場(chǎng)發(fā)射燈絲電子槍與燈絲二、電子槍工作參數(shù)束流密度亮度發(fā)散角交叉斑直徑壽命束流密度單位時(shí)間單位面積內(nèi)的通過(guò)的電荷量稱(chēng)為束流密度。n——電子數(shù)目；e——電子電荷量；v——電子的運(yùn)動(dòng)速度；亮度電子槍發(fā)射的每單位立體角的電流密度稱(chēng)為亮度。亮度的理論值為：影響亮度的因素：偏壓燈絲溫度結(jié)構(gòu)熱發(fā)射電子槍燈絲：高熔點(diǎn)，低逸出功Wu4.5eVLaB63.0eV場(chǎng)發(fā)射電子槍束斑大小冷場(chǎng)發(fā)射電子槍鎢燈絲槍(W)六硼化鑭燈絲槍(LaB6)肖脫基熱場(chǎng)發(fā)射電子槍

2300℃

1800℃

1800℃

室溫

≤2.0eV

≤1.5eV

≤0.8eV

≤0.2eV

5x105

A/cm2sr

5x106

A/cm2sr

5x108

A/cm2sr

2x109A/cm2sr

≤100小時(shí)

500–1000小時(shí)

6–8月

≥2年

uA

50

uA

50

uA

100

nA

連續(xù)激活

每天一次

工作溫度能量發(fā)散度亮度燈絲壽命總束流槍尖激活

類(lèi)別鎢燈絲LaB6場(chǎng)發(fā)射槍逸出功（eV）4.52.44.5工作溫度(K)27001700300電流密度（A/m2）5x1041061010交叉斑直徑（μm）5010<0.01能量散度(eV)31.50.3發(fā)射電流穩(wěn)定度(%/小時(shí))<1<15真空度（Pa）10-210-410-8壽命(小時(shí))100500>1000各種電子槍的性能對(duì)比(100kV)電子槍結(jié)構(gòu)柵極和燈絲組件高壓瓷瓶柵極和燈絲組件高壓瓷瓶柵極帽的不同結(jié)構(gòu)形式三、電子槍的計(jì)算仿真與設(shè)計(jì)目標(biāo)：加速電壓200kV，要求發(fā)射束流為80μA，束斑直徑78nm。電子源的設(shè)計(jì)采用專(zhuān)用軟件進(jìn)行理論計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)。用有限元方法進(jìn)行模擬，最大網(wǎng)格和最小網(wǎng)格相差幾十萬(wàn)倍（陰極網(wǎng)格是亞微米級(jí)，組件宏觀尺寸是幾十毫米），完成了大量的數(shù)據(jù)文件程序編寫(xiě)。a)場(chǎng)發(fā)射電子槍進(jìn)行電子光學(xué)計(jì)算和設(shè)計(jì)-光路設(shè)計(jì)發(fā)射陰極網(wǎng)格設(shè)計(jì)發(fā)射源網(wǎng)格設(shè)計(jì)發(fā)射源程序粗網(wǎng)格輸出發(fā)射源程序細(xì)網(wǎng)格輸出a)場(chǎng)發(fā)射電子槍進(jìn)行電子光學(xué)計(jì)算和設(shè)計(jì)—網(wǎng)格設(shè)計(jì)電子束軌跡-程序輸出場(chǎng)發(fā)射槍電子光學(xué)光路-網(wǎng)格設(shè)計(jì)圖a)場(chǎng)發(fā)射電子槍進(jìn)行電子光學(xué)計(jì)算和設(shè)計(jì)—場(chǎng)計(jì)算a)場(chǎng)發(fā)射電子槍電子光學(xué)計(jì)算—發(fā)射尖端ZrO/W(100)Schottky發(fā)射尖的腐蝕;ZrO/W(100)Schottky組裝；場(chǎng)發(fā)射電子源測(cè)試。b）場(chǎng)發(fā)射電子源材料特殊，加工精度、裝配精度都非常高，部分精度到微米級(jí)a)場(chǎng)發(fā)射電子槍設(shè)計(jì)核心組件—場(chǎng)發(fā)射槍組件場(chǎng)發(fā)射槍組件裝配、調(diào)節(jié)裝置（在顯微鏡下安裝、調(diào)節(jié)、粘接）a)場(chǎng)發(fā)射電子槍設(shè)計(jì)核心組件—槍組件裝配、調(diào)節(jié)裝置槍組件要求耐高溫、高壓，極間連接件材料硬度極高，剛性強(qiáng)，表面光潔度要求也很高，加工難度大，通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)，確定材料。a)場(chǎng)發(fā)射電子槍設(shè)計(jì)核心組件—做實(shí)驗(yàn)，確定特殊材料場(chǎng)發(fā)射槍零件的小孔、平面等精度要求很高，加工要求高。a)場(chǎng)發(fā)射電子槍設(shè)計(jì)制造

a)