顯微分析技術(shù)顯微分析技術(shù)系列講座1顯微分析技術(shù)顯微分析技術(shù)系列講座1感知物體形貌的兩種方式2感知物體形貌的兩種方式2波經(jīng)過透鏡，直接成像3波經(jīng)過透鏡，直接成像3光學(xué)顯微鏡(OM)：

（可見光光源）光束經(jīng)玻璃透鏡放大成像透射電子顯微鏡(TEM)：

（電子槍光源）電子束經(jīng)電磁透鏡放大成像成像原理的共同特點(diǎn)：光源透過樣品，直接放大成像4光學(xué)顯微鏡(OM)：成像原理的共同特點(diǎn)：光源透過樣品，直接放在樣品表面接觸，間接成像超高真空變溫掃描探針顯微鏡5在樣品表面接觸，間接成像超高真空變溫掃描探針顯微鏡5掃描隧道顯微鏡(STM)：掃描探針為銳利的鎢絲針尖原子力顯微鏡(AFM)：掃描探針為連接在靈敏的微懸臂上的Si或Si3N4材料的錐形針尖成像原理的共同特點(diǎn)：探針在樣品表面光柵式掃描，間接成像6掃描隧道顯微鏡(STM)：成像原理的共同特點(diǎn)：探針在樣品表掃描電子顯微鏡(SEM)：

掃描探針為電子束掃描激光共聚焦顯微鏡(SLCM):

掃描探針為激光束以光柵式掃描間接成像的顯微鏡還有：7掃描電子顯微鏡(SEM)：以光柵式掃描間接成像的顯微鏡還有人眼的最大分辨能力為0.073mm(0.2mm)光學(xué)顯微鏡的分辨極限約為0.2

m透射電子顯微鏡的分辨極限

0.1nmSTM水平方向分辨率：0.05nm

垂直方向分辨率：0.01nm；AFM水平方向分辨率：1~2nm

垂直方向分辨率：0.01nm

8人眼的最大分辨能力為0.073mm(0.2mm)STErnstRuskaElectronMicroscopy,1938SurfaceScience1983,Vol126,236-244GerdBinnigH.Rohrer1986NobelPrize1987荷蘭科學(xué)家

F.Zernike,1935年發(fā)現(xiàn)相差原理并成功地用在顯微鏡上，

1941年在Zeiss公司制造出第一臺(tái)商業(yè)相差顯微鏡，

1953年Zernike獲得NobelPrize(物理)9ErnstRuskaElectronMicroscopy光學(xué)顯微術(shù)(OM)透射電子顯微術(shù)(TEM)掃描電子顯微術(shù)(SEM)掃描探針顯微術(shù)(SPM)10光學(xué)顯微術(shù)(OM)10第一講

電子顯微鏡基本原理理想幾何光學(xué)電子光學(xué)與電磁透鏡3.電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)4.成像的襯度5.應(yīng)用舉例11第一講電子顯微鏡基本原理理想幾何光學(xué)111.(a)理想幾何光學(xué)中的三個(gè)基本定理2)反射定律和折射定律：在光線射到兩種各向同性均勻介質(zhì)的界面上時(shí)，可以產(chǎn)生反射和折射。n1sin

=n1sin

′=n2sin

折射定律1)光的直線傳播定律：在均勻介質(zhì)中光沿著直線傳播。n1n2

′v1v2介質(zhì)1介質(zhì)2V:轉(zhuǎn)播速度

:波長(zhǎng)121.(a)理想幾何光學(xué)中的三個(gè)基本定理2)反射定律和折射Ex.

色散現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)觀察波長(zhǎng)nm色覺種類120~380不可見紫外光380~430紫430~460藍(lán)460~500靛500~550綠可見光550~600黃600~660橙660~760紅760~10,000不可見紅外光13Ex.色散現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)觀察波長(zhǎng)nm色覺3)光路的可逆性原理：當(dāng)光線的前行方向返轉(zhuǎn)時(shí)，它將沿同一原路徑，向相反的方向傳播。理想幾何光學(xué)的基本定律是設(shè)計(jì)透鏡、反射鏡和某些光學(xué)儀器的依據(jù)143)光路的可逆性原理：當(dāng)光線的前行方向返轉(zhuǎn)時(shí)，它將沿理想幾S:物距S

:像距物像凸透鏡fff:焦距

三條理想光線確定薄透鏡成像的位置和大小凸透鏡成像：1/S+1/S'=1/f放大倍數(shù)：=A'B'AB15S:物距S:像距物像凸透凹透鏡凸透鏡只能用眼睛透過凹透鏡看到實(shí)物的同側(cè)有一正立、縮小的虛像物與像的關(guān)系物的位置像的位置像的大小像的虛實(shí)像的正倒S=

S'=f縮成極小實(shí)倒立S>2ff<S'<2f縮小實(shí)倒立S=2fS'=2f等大實(shí)倒立f<S<2fS'>2f放大實(shí)倒立S=f不成像S<f與物體在鏡的同側(cè)放大虛正立16凹透鏡凸透鏡只能用眼睛透過凹透鏡看到實(shí)物的同側(cè)有一正立、縮小012SS’人眼明視距離，25cm0：樣品物體1：第一次成像，倒立的實(shí)像(M1)2：第二次成像，正立的虛像(M2)1.(b)

光學(xué)顯微鏡復(fù)式顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)17012SS’人眼明視距離，25cm0：樣品物體1.(b)光顯微鏡的放大倍數(shù)(M)

＝物鏡的放大倍數(shù)M1

目鏡的放大倍數(shù)M2顯微鏡光學(xué)鏡筒長(zhǎng)度物鏡焦距，S

f1,S

L人眼明視距離，25cm目鏡焦距S

f，M多個(gè)薄透鏡疊加時(shí)的放大M=M1

M2

M3

???18顯微鏡的放大倍數(shù)(M)顯微鏡光學(xué)鏡筒長(zhǎng)度物鏡焦距可以通過多個(gè)薄透鏡疊加

來無限制地放大樣品物點(diǎn)嗎？模糊!問題在接近光的波長(zhǎng)水平研究光學(xué)現(xiàn)象時(shí)，幾何光學(xué)原理不再適用，它將無法解釋所發(fā)生的現(xiàn)象。這時(shí)，光必須完全當(dāng)做一種波動(dòng)現(xiàn)象來加以對(duì)待，如波動(dòng)光學(xué)的衍射現(xiàn)象和干涉現(xiàn)象等。19可以通過多個(gè)薄透鏡疊加模糊!問題在接近光的波長(zhǎng)水平研究光學(xué)

當(dāng)兩個(gè)物點(diǎn)間的尺寸與光波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，經(jīng)透鏡成像后得到的是衍射斑像，當(dāng)一個(gè)圓斑像的中心剛好落在另一個(gè)圓斑像的邊緣，則認(rèn)為這兩個(gè)物點(diǎn)剛剛能夠被分辨，物點(diǎn)間的距離就是能夠分辨的最小物點(diǎn)距離。R019%84%

r0B’A’A’A’B’2R0

分辨兩個(gè)埃利斑（衍射斑）像的極限尺寸。B'A'=R0埃利斑1.(c)

限制光學(xué)透鏡分辨率的因素瑞利判據(jù)1）光的衍射特性物點(diǎn)間的極限尺寸

r020當(dāng)兩個(gè)物點(diǎn)間的尺寸與光波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，經(jīng)透鏡成像后得到

r0=R0/M=0.61

/NANA:數(shù)值孔徑,NA=nsin

不相干光照明

r0=R0/M=0.77

/NA相干光照明

平行于透鏡光軸的光線在通過透鏡后并不會(huì)聚焦于一點(diǎn)，而是匯聚成一個(gè)模糊的斑點(diǎn)，其主要原因是由于透鏡本身存在各種像差。理論分辨率—阿貝定理

r0=

/2nsin

1872年~

/22）透鏡的像差21r0=R0/M=0.61/NANA:數(shù)值孔徑,NA=凸透鏡凹透鏡

因此，可以通過凸透鏡與凹透鏡的適當(dāng)組合來校正和消除球面像差！凹透鏡對(duì)邊緣光線的過分發(fā)散能力可用來抵消凸透鏡對(duì)邊緣光線的過分會(huì)聚能力。a)

球面像差（球差）

以單色光成像時(shí)，透鏡近軸處與遠(yuǎn)軸處的折射率不同而產(chǎn)生的像差，主要是由透鏡的球面形狀引起。22凸透鏡凹透鏡因此，可以通過凸透鏡與凹透鏡的適當(dāng)橫線豎線b)慧形像差也稱側(cè)面球差，由與主軸不平行的光線通過透鏡折射會(huì)聚所形成縮小光圈可以減小因慧形像差引起的缺陷！c)像散（縱橫像差）由側(cè)面射來的光線，通過透鏡折射后，在底片邊緣部分不能同時(shí)呈現(xiàn)出橫豎線條都清晰的影像，也稱縱橫像差.

適當(dāng)縮小光圈！23橫線豎線b)慧形像差也稱側(cè)面球差，由與主軸不平行的光線通過由通過透鏡軸心的光線所產(chǎn)生。難以校正！d)像場(chǎng)彎曲e)

畸變?cè)镄螤钫冐?fù)畸變球面形狀的透鏡表面和平坦的膠片表面存在不平行的對(duì)照，透鏡對(duì)同一物體的不同部位有不同的放大率，越是邊緣的部位變形扭曲越明顯。但不影響影像的清晰度！24由通過透鏡軸心的光線所產(chǎn)生。難以校正！d)像場(chǎng)彎曲e)畸f)色差紫藍(lán)青綠黃橙紅以白光為光源時(shí)，不同波長(zhǎng)的色光在通過透鏡時(shí)有不同的折射率，所以不能聚焦在一個(gè)平面上。選用不同品種的玻璃來制作正負(fù)透鏡！25f)色差紫藍(lán)青綠黃橙紅以白光為光源

總之，校正透鏡像差的主要途徑是靠采用設(shè)計(jì)合理的鏡頭和選擇各片透鏡合適的幾何尺寸及折射率來實(shí)現(xiàn)的。

此外，光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械精度及透鏡玻璃的質(zhì)量也會(huì)影響光學(xué)透鏡的分辨率，而且這類缺陷是無法消除的。26總之，校正透鏡像差的主要途徑是靠采用設(shè)計(jì)合理的鏡頭和選擇各為提高分辨極限，必須尋求

更小的光源。一般人眼的分辨本領(lǐng)

0.2mm=2

106?光學(xué)顯微鏡的分辨極限

0.2

m=2

103?光鏡有效放大倍率:2

106?

/2

103?

=

1000倍

1923年德布羅意提出了波粒二象性原理:

運(yùn)動(dòng)的微觀粒子(電子、中子、離子等)的性質(zhì)與光的性質(zhì)之間存在著深刻的類似性.

電子顯微鏡（380-760）27為提高分辨極限，必須尋求更小的光源。一般人眼的分辨本領(lǐng)2.(a)

電子光學(xué)基礎(chǔ)德布羅意推出電子波長(zhǎng)的表達(dá)式：相對(duì)論校正：h=6.6210-34J?s,e=1.6010-19C,

m0=9.1110-31kg,U:加速電壓，電子的波長(zhǎng)282.(a)電子光學(xué)基礎(chǔ)德布羅意推出電子波長(zhǎng)的表達(dá)式：相對(duì)論加速電壓(V)

=12.26/U1/2(?)

校正=(?)112.2612.26108.8788.8781001.2261.2261,0000.38780.387610,0000.12260.122050,0000.05480.0536100,0000.03880.0370150,0000.03170.0295200,0000.02740.0251300,0000.01971,000,0000.01230.0087不同加速電壓下的電子波長(zhǎng)29加速電壓(V)=12.26/U1/2(?)校正=v2sin

sin=

U2U1=

1

2=v1U

1Uv

比較光的折射定律:U1U2

v1，

1v2，

2

電子束在經(jīng)過等電位面時(shí)，會(huì)發(fā)生類似于可見光經(jīng)過介質(zhì)界面時(shí)的折射。電子的折射定律30v2sinsin=U2U1=12=v1U洛倫茲力：無限長(zhǎng)螺旋管產(chǎn)生的磁場(chǎng)：B=

0N

I/2B:

磁感應(yīng)強(qiáng)度N:線圈匝數(shù)I:電流強(qiáng)度

0:真空磁導(dǎo)率2.(b)電磁透鏡的聚焦原理

電子呈螺旋軌跡向前運(yùn)動(dòng)，最終與線圈中軸相交。所有靠近而且平行于線圈中軸入射的電子束最終都匯聚于中軸上的同一點(diǎn)，這就造成了平行電子束經(jīng)過電磁線圈后的聚焦現(xiàn)象。31洛倫茲力：無限長(zhǎng)螺旋管產(chǎn)生的磁場(chǎng)：B=0NI/2B:等磁位面磁力線軟磁鐵殼電磁線圈環(huán)形間隙1.通過透鏡光心的電子束不發(fā)生折射。2.平行于主軸的電子束，通過透鏡后聚焦在主軸上一點(diǎn)F，稱為焦點(diǎn)；經(jīng)過焦點(diǎn)并垂直于主軸的平面稱為焦平面。3.一束與某一副軸平行的電子束，通過透鏡后將聚焦于該副軸與焦平面的交點(diǎn)上。電子幾何光學(xué)魯斯卡，1929年，電磁透鏡，第一臺(tái)電鏡電磁透鏡的成像特點(diǎn)32等磁位面磁力線軟磁鐵殼電磁線圈環(huán)形間隙1.通過透鏡光心的電與玻璃透鏡不同的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是它的焦距可變。電磁透鏡的焦距：K:常數(shù)I:

線圈激磁電流1.電磁透鏡總是匯聚透鏡

f

>03.電磁透鏡存在磁轉(zhuǎn)角:

實(shí)像與物像之間的相對(duì)位相為:180

虛像與物像之間的相對(duì)位相為:

2.激磁電流改變,電磁透鏡的焦距、放大倍數(shù)也相應(yīng)變化.物距L相距L

放大倍數(shù)M像的虛實(shí)正反>2f2f>L

>f<1實(shí)反2f>L>f>2f>1實(shí)反<f<0>1虛正磁透鏡的物像關(guān)系電磁透鏡的特點(diǎn)：33與玻璃透鏡不同的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是它的焦距可變。電磁透鏡的焦距

光學(xué)透鏡中，已能把玻璃透鏡所造成的像缺陷減少到衍射引起的像缺陷的數(shù)值，但在電磁透鏡中，由于只有正透鏡，消除磁透鏡的像差要比光學(xué)透鏡難得多。電鏡中的像差分為兩類：1）幾何像差：因旁軸條件不滿足而引起的，是折射介質(zhì)幾何形狀的函數(shù)。主要指球差、像散和像畸變。電磁透鏡的像差34光學(xué)透鏡中，已能把玻璃透鏡所造成的像缺陷減少到衍正球差桶形畸變負(fù)球差枕形畸變磁轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)畸變

球差除了影響透鏡分辨本領(lǐng)外,還會(huì)引起圖像畸變。像畸變球差透鏡的旁軸區(qū)域與非旁軸區(qū)域的磁場(chǎng)對(duì)電子束的折射能力不同，具有最小直徑散焦斑的位置為最佳聚焦點(diǎn)

:

孔徑半角

S：球差引起的散焦斑直徑

rs

3Sphericalaberrationdistortion

由于透鏡對(duì)邊緣區(qū)域的聚焦能力比中心部分大，反映在像平面上，像的放大倍數(shù)將隨離軸徑向距離的不同而產(chǎn)生不同程度的位移，但圖像仍然是清晰的。35正球差負(fù)球差磁轉(zhuǎn)角球差除了影響透鏡分辨本領(lǐng)外,還會(huì)引電磁透鏡的像畸變像散透鏡磁場(chǎng)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱造成,由旁軸電子引起?？赏ㄟ^消像散器來消除

rA

astigmation

A：像散引起的散焦斑直徑圖像在某些方向上發(fā)生了變形低倍下的菲涅爾條紋觀察：欠焦時(shí)為白色邊緣，過焦時(shí)為黑色邊緣，正焦則無襯度，如果有像散，會(huì)出現(xiàn)黑白混合邊緣！欠焦過焦正焦像散36電磁透鏡的像畸變像散透鏡磁場(chǎng)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱造成,由旁軸電子引像散的校正(Stigmatism)1947，JamesHillier等在透鏡極靴的間隙加入8個(gè)軸對(duì)稱分布的小螺釘37像散的校正(Stigmatism)1947，JamesHi色差加速電壓的穩(wěn)定性:3eV樣品的非彈性散射:5~50eV

EE

rc

電子束中，電子的波長(zhǎng)或能量不同而引起，與旁軸條件無關(guān)。chromaticaberration

C：色差引起的散焦斑直徑2）色差：由于電子光學(xué)折射介質(zhì)的折射率隨電子速率不同而造成的。38色差加速電壓的穩(wěn)定性:3eVEErc儀器本身分辨本領(lǐng)的限制

a.光學(xué)透鏡的球差可通過玻璃透鏡的形狀改變或適當(dāng)組合來消除，

而電磁透鏡的球差隨孔徑半角的增大急劇增大，比較難消除。磁透鏡:n1,2

=3o~5osin

b.電子束成像時(shí)也存在衍射效應(yīng)，衍射引起的埃利斑的大小是隨孔

徑半角的減小而增大：在電磁透鏡里，對(duì)電鏡分辨率影響最大的是衍射效應(yīng)和球差。2.(c)

影響電磁透鏡分辨率極限的因素39儀器本身分辨本領(lǐng)的限制a.光學(xué)透鏡的球差可通過玻璃透鏡的

rmin~

3/4

Cs1/4遠(yuǎn)小于理論極限!

樣品厚度的限制：

電子束受樣品原子內(nèi)、外層電子的非彈性散射，由此造成較大的色差(

rc)。只有在極薄區(qū)域成像，

色差引起的散焦斑rc

才有可能小于rmin。磁透鏡的球差系數(shù)，一般透射電鏡Cs

3mm,

rmin

2.5~3?

高分辨電鏡Cs<1mm,

rmin

1.4~1.9?

球差系數(shù)與電磁透鏡焦距大致相等球差引起的散焦斑與衍射引起的埃利斑大小相當(dāng)時(shí)

雖然電子波長(zhǎng)只有光波長(zhǎng)的1/105左右，但由于還不能造出無像差的大孔徑角的電子透鏡，只能用很小的孔徑角來使球差、像散、色差等減至最小。Cs040rmin~3/4Cs1/4遠(yuǎn)小于樣品厚度的限制3.(a)

透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)電源和控制系統(tǒng)高壓電源、透鏡電源、真空系統(tǒng)電源、控制記錄系統(tǒng)等其它電器電源電子光學(xué)系統(tǒng)真空系統(tǒng)魯斯卡，1934年第二版電鏡，50nm，柏林高工獲博士學(xué)位413.(a)透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)電源和控制系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)真鏡筒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)42鏡筒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)42電子槍樣品室成像系統(tǒng)照相記錄系統(tǒng)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)的組成：機(jī)械泵擴(kuò)散泵離子泵真空管道循環(huán)水系統(tǒng)等43電子槍樣品室成像系統(tǒng)照相記錄系統(tǒng)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)的組成：43電子光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)

電子槍、聚光鏡

記錄系統(tǒng)熒光屏、照相裝置、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

成像系統(tǒng)

物鏡、中間鏡、投影鏡

燈絲中的電子在高壓電場(chǎng)的作用下，從尖端逸出并被加速，形成一束高能量電子束；再經(jīng)過聚光鏡、光闌、消像散器等系統(tǒng)的調(diào)整，成為一束近似平行光的電子束；作用于試樣后，得到透過電子、彈性散射電子和非彈性散射電子。44電子光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)記錄系統(tǒng)成像系統(tǒng)電子槍熱電子發(fā)射:發(fā)夾形鎢絲燈絲,LaB6單晶燈絲有效光源d0發(fā)射角或發(fā)散角

：電子束與主軸的夾角熱電子發(fā)射型和場(chǎng)發(fā)射型幾十微米45電子槍熱電子發(fā)射:有效光源d0發(fā)射角或發(fā)散角：熱電子發(fā)鎢燈絲最小交叉截面：橢圓形LaB6單晶

對(duì)于分辨力

2?、放大倍數(shù)約100萬倍的成像要求，由于成像時(shí)間仍在幾秒鐘內(nèi)，就要求電子槍的亮度很高，LaB6單晶的發(fā)射率比鎢絲高一個(gè)量級(jí)。427oC1727oC0.03~0.1mm46鎢燈絲最小交叉截面：橢圓形LaB6單晶對(duì)于分辨場(chǎng)發(fā)射型槍（FEG）冷陰極場(chǎng)發(fā)射:場(chǎng)發(fā)射電子槍的尖端（鎢單晶）300K能量發(fā)散0.3~0.5eV殘留氣體分子的離子吸附發(fā)射躁聲大定期去除吸附分子層熱陰極場(chǎng)發(fā)射:1600~1800K能量發(fā)散0.6~0.8eV不產(chǎn)生離子吸附發(fā)射躁聲小不需閃光處理在金屬表面加一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，金屬表面的勢(shì)壘會(huì)變淺，由于隧道效應(yīng)，金屬內(nèi)部的電子穿過勢(shì)壘從金屬表面發(fā)射出來，這種現(xiàn)象稱為場(chǎng)發(fā)射。47場(chǎng)發(fā)射型槍（FEG）冷陰極場(chǎng)發(fā)射:場(chǎng)發(fā)射電子槍的尖端（鎢單晶電子槍的種類直接影響透射電子顯微鏡的分辨率

性能電子槍類型亮度(A/cm2sr)電子源直徑（

m）能量發(fā)散度（eV）壽命(hr)真空度(mmHg)普通熱陰極電子槍104~10520~302.35010-4~

10-6六硼化鑭陰極電子槍105~1061~101.550010-6~10-8場(chǎng)發(fā)射電子槍107~1080.01~0.10.3~0.8500010-9~10-1048電子槍的種類直接影響透射電子顯微鏡的分辨率聚光鏡與物鏡系統(tǒng)納米束電子衍射顯微像能量色散譜儀(a)TEM模式(b)EDS模式(c)NBD模式

能方便地同時(shí)獲取電子成像（正空間放大的顯微像）與電子衍射譜（倒易空間的結(jié)構(gòu)信息），是電鏡的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。微區(qū)成分分析技術(shù)：一類是分析經(jīng)過樣品后電子能量受到的損失，即電子受樣品原子核非彈性散射而損失的能量來推知樣品中存在什么元素及含量，稱為電子能量損失譜（EELS)；另一類是利用樣品發(fā)出的X射線特征能譜，進(jìn)行微區(qū)成分分析，稱為X射線能譜（EDS）。49聚光鏡與物鏡系統(tǒng)納米束電子衍射顯微像能量色散譜儀(a)TE單軸傾斜，雙軸傾斜，鈹制，冷凍，加熱，。。。送樣桿50單軸傾斜，雙軸傾斜，鈹制，冷凍，加熱，。。。送樣桿505151三種不同放大倍數(shù)的顯微像成像模式100X0~20X100X2X105X52三種不同放大倍數(shù)的顯微像成像模式100X0~20X100X2光鏡與透射電鏡的光學(xué)成像部分的比較

基本光學(xué)原理相似，都屬于光學(xué)放大儀器.

照明源和聚焦成像的方法不同：前者以可見光照明，用玻璃透鏡成像；后者用電子束照明,用一定形狀的磁場(chǎng)(磁透鏡)成像.

半波長(zhǎng)是兩種顯微鏡分辨本領(lǐng)的理論極限，但透射電鏡能達(dá)到的分辨極限遠(yuǎn)小于理論極限.53光鏡與透射電鏡的光學(xué)成像部分的比較基本光學(xué)原理相透射電鏡與光鏡的比較比較項(xiàng)透射電鏡光鏡射線源電子束可見光介質(zhì)真空空氣透鏡磁場(chǎng)玻璃放大倍數(shù)幾十至幾百萬倍約1000倍放大作用改變透鏡電流或電壓變換物鏡或目鏡最佳分辨率約為2?約為2000?操作與制樣較復(fù)雜簡(jiǎn)單54透射電鏡與光鏡的比較比較項(xiàng)透射電鏡光鏡射線源電子束可見光介質(zhì)3.(b)掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)553.(b)掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)555656透射掃描兩種電鏡結(jié)構(gòu)的比較電子光學(xué)系統(tǒng)真空系統(tǒng)電源和控制系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)處理系統(tǒng)顯微鏡的結(jié)構(gòu)電子探針系統(tǒng)樣品室電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)真空系統(tǒng)電源和控制系統(tǒng)顯微鏡的結(jié)構(gòu)照明系統(tǒng)(電子槍、聚光鏡)

成像系統(tǒng)(物鏡、中間鏡、投影鏡)記錄系統(tǒng)(熒光屏、照相裝置、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))電子光學(xué)系統(tǒng)透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡*************電子槍三級(jí)聚光鏡掃描線圈樣品托樣品臺(tái)樣品移動(dòng)裝置57透射掃描兩種電鏡結(jié)構(gòu)的比較電子光學(xué)系統(tǒng)顯微鏡的結(jié)構(gòu)電子探針系吸收電子或樣品電流入射電子被多次非彈性散射后留在樣品中的入射電子二次電子背散射電子被入射電子轟擊出來的核外電子被固體樣品原子反彈回來的一部分入射電子束感生電效應(yīng)半導(dǎo)體樣品中,被激發(fā)的電子-空穴對(duì)復(fù)合時(shí)間較長(zhǎng),外接回路中可測(cè)到電流信號(hào)。透射電子特征X射線90%轉(zhuǎn)變成熱能入射電子束樣品原子K,L,M軌道上的電子被入射電子激發(fā)后，外層電子躍遷到這些空位，并釋放出多余的能量。入射電子

二次電子+背散射電子+透射電子+吸收電子陰極熒光半導(dǎo)體、磷光體和一些絕緣體在高能電子作用產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象下樣品掃描電鏡樣品很薄時(shí)如102~103?透射電鏡能譜儀電子束與樣品的相互作用58吸收電子或樣品電流入射電子被多次非彈性散射后留在樣品中的入射電子束與樣品的作用深度與范圍(50~200nm)(5~50nm)電子束(1nm)俄歇電子二次電子背散射電子特征

射線連續(xù)

射線二次熒光100～1000nm背散射電子的空間分辨

射線分辨樣品表面59電子束與樣品的作用深度與范圍(50~200nm)(5~50n樣品表面發(fā)射的電子能量譜

二次電子包括了真正的二次電子和經(jīng)多次非彈性散射的背散射電子二次電子彈性背散射電子峰特征能量損失電子峰初級(jí)背散射電子E（電子能量),eVN電子數(shù)60樣品表面發(fā)射的電子能量譜二次電子包括了真正的電子的電離與躍遷K激發(fā)態(tài)發(fā)射特征X射線光子L2

激發(fā)態(tài)發(fā)射俄歇電子特征

X射線:樣品原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后,能級(jí)躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長(zhǎng)的一種電磁輻射由于各元素的電子能級(jí)是確定的,能級(jí)間的能量差對(duì)應(yīng)著特定的元素,因此,特征X射線可用來表征樣品的元素分布.or61電子的電離與躍遷K激發(fā)態(tài)發(fā)射特征X射線光子發(fā)射俄歇電子特征陰極熒光檢測(cè)器：光導(dǎo)管、光電倍增器

X射線檢測(cè)器：能譜儀、檢測(cè)器

信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)柵網(wǎng)聚焦環(huán)閃爍體光導(dǎo)管電子檢測(cè)器：探測(cè)器光電倍增器62陰極熒光檢測(cè)器：光導(dǎo)管、光電倍增器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)柵網(wǎng)電子檢測(cè)器柵網(wǎng)正偏壓：250V~500V,吸引二次電子，增大檢測(cè)有效立體角柵網(wǎng)負(fù)偏壓：~50V負(fù)偏壓，阻止二次電子到達(dá)檢測(cè)器，聚焦背散射電子電子檢測(cè)器置于樣品下方，檢測(cè)透射電子（熒光板被移出光路）置于樣品上方，檢測(cè)二次電子、背散射電子閃爍體柵網(wǎng)背散射電子二次電子入射電子樣品光導(dǎo)管光倍增器調(diào)制信號(hào)可見光信號(hào)聚焦環(huán)63柵網(wǎng)正偏壓：250V~500V,吸引二次電子，增大檢測(cè)有效帶X射線能量色散譜儀(EDX)的掃描電鏡結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖像的形成前置放大器視頻放大器熒光屏掃描信號(hào)發(fā)生器強(qiáng)度轉(zhuǎn)換來自電子檢測(cè)器的電流信號(hào)前置放大器視頻放大器電壓信號(hào)顯像管柵極，控制顯像管電子束打在熒光屏上的光點(diǎn)亮度經(jīng)與樣品表面同步的光柵狀掃描，得到一幅反應(yīng)樣品表面特性的顯微放大像64帶X射線能量色散譜儀(EDX)的掃描電鏡結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖像的形放大倍率顯像管掃描尺寸電子探針在樣品上的掃描尺寸＝機(jī)械放大：可從幾倍到幾十萬倍，連續(xù)可調(diào)掃描電鏡主要性能參數(shù)較大的聚焦深度，得到立體的像SEM具有較小的孔徑角，光學(xué)顯微鏡由于孔徑角較大，景深小得多透射電鏡，薄樣品成像，通常景深大于樣品厚度，得到二維像景深=掃描像分辨率

tg

(為孔徑角)固定偏轉(zhuǎn)線圈電流不變Ex:1,000

,10

m10,000

,1

mEx:100

,1

m65放大倍率顯像管掃描尺寸電子探針在樣品上的掃描尺寸＝機(jī)械放大：分辨本領(lǐng)：與探針掃描的機(jī)械寬度無關(guān),而是由特定條件下拍攝的照片來標(biāo)定.

照片上兩亮區(qū)之間的最小暗間隙寬度,除以總放大倍數(shù),就是SEM能分辨的最小間距.

掃描電鏡的分辨本領(lǐng)實(shí)際的有效放大倍數(shù)，與照明電子束的束斑直徑有關(guān)，也與電子束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)有關(guān),不同成像信號(hào)的產(chǎn)生區(qū)域也不同，但該值不可能小于束斑直徑.因此，以二次電子信號(hào)的分辨能力代表儀器的分辨能力.

Z,U

Z,U

Z,U

Z,UZ：樣品物質(zhì)的原子序數(shù)U：電子束加速電壓電子束的擴(kuò)展效應(yīng)鎢燈絲:1~2萬倍LaB6:3~5萬倍場(chǎng)發(fā)射:~10萬倍66分辨本領(lǐng)：與探針掃描的機(jī)械寬度無關(guān),而是由特定條件下拍攝的4.(a)

透射電鏡的成像襯度吸收：透射電鏡的樣品要求厚度足夠小。如小于1000?的薄膜樣品，以保證吸收很小，因?yàn)槲諏殡S著熱量的釋放，使樣品變形、燒毀。散射：

一個(gè)高速運(yùn)行的入射電子打在薄膜樣品上后，電子在組成樣品的原子的庫侖場(chǎng)作用下，運(yùn)動(dòng)方向（或同時(shí)還有能量）發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為散射。與光學(xué)顯微鏡類似，有四種基本的物理過程參與電鏡的成像：吸收和散射電子像的襯度是樣品的不同區(qū)域?qū)﹄娮拥奈蘸蜕⑸淠芰Σ煌斐傻奈蘸蜕⑸?/p>

干涉和衍射在透射電鏡中，散射是最重要的成像機(jī)制，因?yàn)?，樣品不同部位的透射電子?qiáng)度的差異被人眼感覺出來，就構(gòu)成樣品不同區(qū)域間的像襯度差。674.(a)透射電鏡的成像襯度吸收：透射電鏡的樣品要求厚度足

如果是和質(zhì)量大得多的原子核作用，則發(fā)生彈性碰撞，入射電子不損失能量，但運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)。如果是與樣品原子的核外電子作用，由于質(zhì)量相同，碰撞后將重新分配能量，速度和運(yùn)動(dòng)方向都會(huì)發(fā)生改變，即發(fā)生非彈性散射，但散射角小得多。

散射分為兩種：只改變方向，能量基本上不變的，稱為彈性散射；方向和能量都有變化的，稱為非彈性散射。彈性散射非彈性散射樣品對(duì)入射電子的散射68如果是和質(zhì)量大得多的原子核作用，則發(fā)生彈性碰撞，入Z,襯度

n=n2=()2ZeU

e=e2=()2eU

核的彈性散射截面

n

：?jiǎn)蝹€(gè)電子的非彈性散射截面

e

：樣品中單個(gè)原子對(duì)入射電子的散射散射角U:入射電子的加速電壓Z:原子序數(shù)單個(gè)原子的非彈性散射截面與彈性散射截面之比：Z

e

n=Z1散射角原子核與電子的大?。?0-5～10-6?原子間距：

1?樣品相對(duì)于入射電子來說幾乎是完全空的空間大量的入射電子是直接穿過足夠薄的樣品。散射角過大的入射電子會(huì)被物鏡光闌擋調(diào)樣品各部分間散射能力的差異形成了圖像的反差69Z,襯度n=n2=(參與成像的電子束強(qiáng)度隨樣品的厚度或質(zhì)量（密度或原子序數(shù)）的增大而衰減，兩者對(duì)襯度所起的作用相同---質(zhì)量厚度襯度原理Qt=1時(shí),Q=N

0=N0

0

A

-

=Qdt

dnnn=n0e-Qt

或

I=I0e-Qt:

臨界厚度,相當(dāng)于電子在樣品中受到單

次散射的平均自由程,t小于

,可視為透明t:樣品的厚度

0:單個(gè)原子的散射截面

A:相對(duì)原子質(zhì)量n:入射到1cm2樣品表面積的電子數(shù)t=Q1=,(

t)c=

N0

0

A(t)c:

臨界質(zhì)量厚度I0:入射電子束的強(qiáng)度

I:通過物鏡光闌參與成像的電子束光強(qiáng)散射幾率設(shè)1cm3中N個(gè)原子的總散射截面Q：透射電鏡成像中的質(zhì)量厚度襯度原理對(duì)于成分均勻的非晶樣品：

70參與成像的電子束強(qiáng)度隨樣品的厚度或質(zhì)量（密度或原子序數(shù)）的增染色增加圖像襯度1.對(duì)于超薄切片和溶劑澆膜的樣品，由于樣品厚度大致均勻，原子序數(shù)差別小，采用重金屬鹽正染技術(shù).1~2%OsO4水溶液1~2%RuO4水溶液2.對(duì)于病毒、膠束等，常采用重金屬鹽的負(fù)染技術(shù)，以增強(qiáng)粒子的輪廓.2~4%磷鎢酸(PTA):P2O5·24WO3·nH2O水溶液，pH6.8~7.22~3%醋酸鈾(UA):UO2(CH3COO)2·2H2O水溶液，~pH4.23.嵌段共聚物的自組裝結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的表征要求，可用正染、負(fù)染及投影等方法71染色增加圖像襯度1.對(duì)于超薄切片和溶劑澆膜的樣品，由于樣品S14I65S21,CHCl3castingS14EP66S20,compression-molding正染負(fù)染病毒Ex72S14I65S21,CHCl3castingS14E對(duì)于微細(xì)結(jié)構(gòu)d1nm?，厚度小于10nm?的樣品成像，相位反差是主要的襯度。干涉：從波動(dòng)學(xué)說來看，一個(gè)運(yùn)動(dòng)的電子可以看作是一個(gè)電子波，它向著電子運(yùn)動(dòng)的方向，以勻速的并隨時(shí)間作正弦變化的方式前進(jìn)?？梢园央娮雍蜆悠返淖饔茫醋麟娮硬ń?jīng)過樣品后形成了透射波和散射波。干涉和衍射當(dāng)樣品很薄時(shí)，散射波相對(duì)入射波振幅基本不變，而相位有變化。由于各電子和樣品作用的散射波和透射波的相位差不同，各相位差為的奇數(shù)倍時(shí)，兩者合成波為極小者；為的偶數(shù)倍時(shí)，合成波為極大者。使合成波(干涉波)與透射波在振幅上表現(xiàn)出差別，在最終的像中就會(huì)出現(xiàn)亮暗不同的區(qū)域，這種反差叫做相位襯度。衍射：電子衍射與X射線衍射的基本原理相同，當(dāng)晶體試樣各部分滿足布喇格反射條件不同及結(jié)構(gòu)振幅不同，形成衍射強(qiáng)度的差異而導(dǎo)致的襯度叫做衍射襯度。薄晶體樣品Ex輻照鎳中的位錯(cuò)環(huán)晶體中嚴(yán)格的周期性遭到破壞73對(duì)于微細(xì)結(jié)構(gòu)d1nm?，厚度小于10nm?的樣品成像74襯度：通常指熒光屏或圖片上，不同區(qū)域之間，肉眼觀察到的成像光強(qiáng)度或感光度的差別。質(zhì)厚襯度：適用于非晶樣品成像。由于試樣各處組成物質(zhì)的種類和厚度不同而造成的襯度。它建立在樣品對(duì)入射電子的散射和小孔徑角成像的基礎(chǔ)上。衍射襯度：適用于晶體樣品成像。試樣局部的晶體完整性受到破壞，各處滿足Bragg條件的程度出現(xiàn)差異。透射束和衍射束相位相干的結(jié)果。

質(zhì)厚襯度和衍射襯度都屬于典型的振幅襯度。相位襯度：適用于晶體樣品，厚度小于10nm.透射電子顯微圖像的襯度7474襯度：通常指熒光屏或圖片上，不同區(qū)域之間，肉質(zhì)厚襯度4.(b)

掃描電鏡的襯度表面形貌襯度用對(duì)樣品表面形貌變化敏感的物理信號(hào),得到的一種像襯度.主要顯示物理信號(hào)對(duì)微區(qū)表面取向的敏感性.

樣品傾斜角入射電子束ip二次電子產(chǎn)額

:

is與原子序數(shù)無明確關(guān)系,對(duì)傾斜角十分敏感,適合顯示形貌襯度754.(b)掃描電鏡的襯度表面形貌襯度用對(duì)樣品表面形貌變化敏要判斷樣品表面的凹凸性質(zhì),最好將樣品旋轉(zhuǎn)180

觀察、比較76要判斷樣品表面的凹凸性質(zhì),最好將樣品旋轉(zhuǎn)180觀察、比顯示由某物理信號(hào)調(diào)制的像對(duì)樣品微區(qū)原子序數(shù)或化學(xué)成分變化的敏感性。樣品的背散射電子，在入射電子能量小于10-40keV范圍時(shí)，背散射電子信號(hào)強(qiáng)度隨原子序數(shù)增大而單調(diào)明顯增大，樣品表面平均原子序數(shù)較高的區(qū)域,背散射電子像上就有較亮的襯度.除背散射電子信號(hào)外，吸收電子信號(hào)及特征X射線對(duì)成分變化也都很敏感，前者可調(diào)制出與背散射電子像襯度正好相反的吸收電子像，后者可根據(jù)樣品某元素發(fā)射的特征X射線信號(hào)調(diào)制出該元素在樣品表面的分布圖像.成分襯度:77顯示由某物理信號(hào)調(diào)制的像對(duì)樣品微區(qū)原子序數(shù)或化學(xué)成分襯度:7聚焦電子束在晶體樣品表面掃描時(shí)，入射角θ連續(xù)變化，在θ角小于某組晶面的布拉格角θB的區(qū)域，入射電子受晶體原子的散射機(jī)會(huì)較多，如在樣品上方安裝電子檢測(cè)器，可接收到較強(qiáng)的背散射電子信號(hào)。而在θ>θB的區(qū)域，入射電子受晶體原子散射的機(jī)會(huì)較少。電子經(jīng)過晶格間的通道深入到晶體內(nèi)部才發(fā)生散射，使樣品上方檢測(cè)到的背散射電子信號(hào)較弱，尤其對(duì)于大的變形小、結(jié)構(gòu)完善的單晶樣品，可獲得表層100?的電子通道花樣圖，圖上襯度帶(亮帶)的方位就是相應(yīng)衍射晶面的方位，亮帶的寬度取決于衍射晶面θB角的大小，襯度帶之間的夾角等于相應(yīng)晶面之間的夾角，對(duì)其指數(shù)化，就可知道對(duì)于微區(qū)的晶體學(xué)取向及晶格完善性的資料。電位襯度:如果被觀察表面不同微區(qū)的電位不同，能量較低的二次電子會(huì)從電位低的地方跑到鄰近電位高的地方，使該處檢測(cè)器收集到的二次電子減少，得到因電位差異而表現(xiàn)出襯度的二次電子像。在樣品架上裝一個(gè)可用于檢測(cè)集成塊的特殊樣品臺(tái)，就可觀察在外加電壓下集成塊各條通路是否有故障。晶體襯度:78聚焦電子束在晶體樣品表面掃描時(shí)，入射角θ連續(xù)變化，在θ角小于科學(xué)樓119室Hitachi，日本79科學(xué)樓119室Hitachi，日本79探索微觀世界的歷程

（Ⅱ）透射電鏡1986年ErnstRuska

（80歲）德國(guó)，獲NobelPrize(物理)(發(fā)明電鏡55年后）E.

Ruska,

1929年本科高年級(jí)學(xué)年論文，從事以短線圈為磁透鏡、聚焦成像的實(shí)驗(yàn)研究.獲得了第一批低倍電子光學(xué)像(1.3倍)

1931年采用二級(jí)磁透鏡放大,獲得16

倍放大像

1933年安裝了聚光鏡等,獲得12,000倍放大像

1934年獲柏林技術(shù)學(xué)院工學(xué)博士學(xué)位“電子顯微鏡的磁透鏡”

1939年第一臺(tái)商業(yè)電鏡(西門子公司支持),有聚光鏡、配極靴的物鏡、投影鏡，可更換樣品和底片,30,000

實(shí)現(xiàn)直接觀看原子的千年夢(mèng)想

1926年

H.Busch,發(fā)表了磁聚焦的理論文章，指出：電子束通過軸對(duì)稱電磁場(chǎng)時(shí)，可以聚焦，如同光線通過玻璃透鏡可以聚焦一樣，因此，可以用電子成像，而電子的波長(zhǎng)比光波波長(zhǎng)短得多.

幾何電子光學(xué)的基礎(chǔ)

1940年

H.Boersch，發(fā)現(xiàn)并解釋了成像中的電子衍射現(xiàn)象，首創(chuàng)了選區(qū)電子衍射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析的統(tǒng)一.M.Mahl，將復(fù)型技術(shù)用于冶金研究1895年

W.C.R?ntgen，發(fā)現(xiàn)X射線1897年

J.J.Thomson，發(fā)現(xiàn)電子1897年

C.F.Braun，用陰極射線管制成了示波器1912年

Laue和Bragg父子發(fā)現(xiàn)晶體對(duì)X射線的衍射1923年

DeBroglie提出波粒二象性原理1927年

Davisson和Thomson分別發(fā)現(xiàn)電子衍射80探索微觀世界的歷程（Ⅱ）透射電鏡1986年ErnstR三個(gè)標(biāo)志性歷史階段：第一階段：20世紀(jì)50～60年代的衍射成像階段，對(duì)厚度為幾百納米的薄晶體中的缺陷進(jìn)行觀察，形成了透射電子顯微學(xué)（TEM）。第二個(gè)階段：70年代興起的對(duì)厚度約10nm的極薄晶體進(jìn)行高分辨結(jié)構(gòu)像和原子像的直接觀察階段，形成高分辨電子顯微學(xué)（HREM)。第三階段：80年度以后發(fā)展起來的對(duì)納米尺寸區(qū)域結(jié)構(gòu)和成分的微小變化，進(jìn)行研究和分析的高空間分辨分析電子顯微學(xué)（HSRAEM）。近代發(fā)展的兩種趨勢(shì)：趨勢(shì)一：電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，成像系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)日益新穎、精確和科學(xué)。趨勢(shì)二：是受固體科學(xué)（包括材料科學(xué)、地質(zhì)學(xué)和礦物學(xué)等）、生命科學(xué)、微電子信息科學(xué)等的推動(dòng)，電子顯微鏡的分析功能日益擴(kuò)大。81三個(gè)標(biāo)志性歷史階段：81828283831）冷凍電鏡與三維重構(gòu)觀察生物等軟物質(zhì)樣品電鏡研究生物試樣時(shí)遇到的主要困難：1.

生物試樣主要由輕元素組成，對(duì)電子的散射很弱，像的襯度很差。重金屬元素負(fù)染法可以增加像的襯度，但所觀察到的是大分子的“負(fù)復(fù)型”，即成像的是分子的外型及大小，而不是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此，分辨率不高。2.

觀察過程中容易產(chǎn)生輻照損傷，因此，只能允許很低劑量的輻照，其躁聲高，襯度差。3.

電鏡的焦深很大，實(shí)際觀察的不是一個(gè)橫截面而是立體試樣的二維投影，也就是試樣中全部結(jié)構(gòu)內(nèi)容在電子束方向重疊在一起，圖像往往不清晰。4.

電子顯微像隨電鏡的工作條件而變化，如欠焦量、相差等都會(huì)使像的襯度發(fā)生變化。5.應(yīng)用實(shí)例解決辦法：1.放棄一般的染色，采用低劑量輻照（

0.5電子/平方?）2.將液相中的樣品驟冷到玻璃態(tài)以下，保持在低溫下觀察。841）冷凍電鏡與三維重構(gòu)觀察生物等軟物質(zhì)樣品電鏡研究生物試樣時(shí)液體乙烷防止形成冰晶85液體乙烷防止形成冰晶8586868787T.P.LodgeMulticompartmentMicellesfromABCMiktoarmStarsinWater88T.P.LodgeMulticompartmentMiOntheOriginsofMorphologicalComplexityinBlockCopolymerSurfactants18APRIL2003VOL300SCIENCEPB-PEO

MorphologydiagramforPB-PEOinwater(1wt%)asafunctionofmolecularsizeandcomposition,

whereNPBandwPEOarethedegreeofpolymerizationandweightfractionofthePBandPEOblocks,respectively.

Fourbasicstructuralmotifs—bilayers(B),Y-junctions(Y),cylinders(C),andspheres(S)—havebeenidentifiedbycryo-TEM,asillustratedinthemicrographs,(AtoC).Bars(Ato