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1、第八章 电子光学基础本讲稿第一页，共四十五页绪论绪论n用电子光学仪器研究物质组织、结构、成份的技术称为电子显微术。n材料的性能往往取决于它的微观结构及成分分布。因此，为了研究新的材料或改善传统材料，必须以尽可能高的分辨能力观测和分析材料在制备、加工及使用条件下（包括相变过程中，外加应力及各种环境因素作用下等）微观结构和微区成分的变化，并进而揭示材料成分工艺微观结构性能之间关系的规律，建立和发展材料科学的基本理论。改炒菜式为合金设计。本讲稿第二页，共四十五页主要内容n扫描电子显微分析n透射电子显微分析n电子探针显微分析本讲稿第三页，共四十五页n扫描式电子显微镜(scanning electron
2、 microscope，SEM)：1964年，第一部商售SEM问世，目前已被广泛的使用。SEM以较高的分辨率（3.5nm）和很大的景深可以清晰地显示粗糙样品的表面形貌，并以多种方式给出微区成份等信息，可用来观察断口表面微观形态，分析研究断裂的原因和机理，以及其它方面的应用。本讲稿第四页，共四十五页n透射电子显微镜（TEM）具有原子尺度的分辨能力，同时提供物理分析和化学分析所需全部功能的仪器。特别是选区电子衍射技术的应用，使得微区形貌与微区晶体结构分析结合起来，再配以能谱或波谱进行微区成份分析，得到全面的信息。本讲稿第五页，共四十五页n电子探针（EPMA）是在扫描电镜的基础上配上波谱仪或能谱仪的
3、显微分析仪器，它可以对微米数量级侧向和深度范围内的材料微区进行相当灵敏和精确的化学成份分析，基本上解决了鉴定元素分布不均匀的困难。本讲稿第六页，共四十五页电子显微分析在材料学中的应用晶相、玻璃相、气相的存在与分布；晶粒大小、形状、位置；气孔的尺寸、形式、位置；显微缺陷、微裂纹、晶体缺陷；晶界及其所在处的杂质；微区的成分分析。本讲稿第七页，共四十五页第八章第八章 电子光学基础电子光学基础n光学显微镜和电子显微镜的基本光学原理是相似的，它们之间的区别仅在于所使用的照明源和聚焦成像的方法不同，前者是可见光照明，用玻璃透镜聚焦成像，后者用电子束照明，用一定形状的静电场或磁场聚焦成像。本讲稿第八页，共四
4、十五页81 光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性 82 电子的波性及波长电子的波性及波长83 电子在电磁场中的运动和电子透镜电子在电磁场中的运动和电子透镜84 电子透镜缺陷和分辨率电子透镜缺陷和分辨率85 电磁透镜的景深和焦深电磁透镜的景深和焦深主要内容主要内容本讲稿第九页，共四十五页81 光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性 1、一个世纪以来人们一直用光学显微镜来揭示材料的微观、一个世纪以来人们一直用光学显微镜来揭示材料的微观结构，但光学显微镜的分辨能力有限的。结构，但光学显微镜的分辨能力有限的。2、最小分辨距离计算公式：、最小分辨距离计算公式：d指物镜能够分开两个点之间指物镜能够分开两个点
5、之间的最短距离，称为物镜的分辨的最短距离，称为物镜的分辨本领或分辨能力；本领或分辨能力；为入射光的波长；为入射光的波长；n为透镜周围介质的折射率为透镜周围介质的折射率为物镜的半孔径角为物镜的半孔径角本讲稿第十页，共四十五页1对于可见光的波长在对于可见光的波长在390770nm之间之间2NA(nsin-数值孔径）数值孔径）值均小于值均小于1，最大只能达，最大只能达到到1.51.6光学显微镜其最大的分辨能力为光学显微镜其最大的分辨能力为0.2m0.2m本讲稿第十一页，共四十五页 由于光的衍射，使得由物平面内的点由于光的衍射，使得由物平面内的点O O1 1、O O2 2 在象平面形成在象平面形成一一
6、B B1 1、B B2 2圆斑（圆斑（AiryAiry斑）。若斑）。若O O1 1、O O2 2靠得太近，过分重叠，靠得太近，过分重叠，图象就模糊不清。图象就模糊不清。O1O2dLB2B1Md强度强度D图（图（a a）点）点O O1 1、O O2 2 形成两个形成两个AiryAiry斑；图（斑；图（b b）是强度分布。）是强度分布。（a）（b）本讲稿第十二页，共四十五页图（图（c c）两个）两个AiryAiry斑斑明显可分辨出。明显可分辨出。图（图（d d）两个）两个AiryAiry斑刚斑刚好可分辨出。好可分辨出。图（图（e e）两个）两个AiryAiry斑斑分辨不出。分辨不出。I I0.81
7、I0.81I本讲稿第十三页，共四十五页1.对于光学显微镜，N.A的值均小于1，油浸透镜也只有1.51.6，而可见光的波长有限，因此，光学显微镜的分辨本领不能再次提高。2.提高透镜的分辨本领：增大数值孔径是困难的和有限的，唯有寻找比可见光波长更短的光线才能解决这个问题。本讲稿第十四页，共四十五页 高能辐射区高能辐射区高能辐射区高能辐射区 射线射线射线射线 能量最高，来源于核能级跃迁能量最高，来源于核能级跃迁能量最高，来源于核能级跃迁能量最高，来源于核能级跃迁 射线射线射线射线 来自内层电子能级的跃迁来自内层电子能级的跃迁来自内层电子能级的跃迁来自内层电子能级的跃迁 光学光谱区光学光谱区光学光谱区
8、光学光谱区 紫外光紫外光紫外光紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁来自原子和分子外层电子能级的跃迁来自原子和分子外层电子能级的跃迁来自原子和分子外层电子能级的跃迁 可见光可见光可见光可见光 红外光红外光红外光红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁来自分子振动和转动能级的跃迁来自分子振动和转动能级的跃迁来自分子振动和转动能级的跃迁 波谱区波谱区波谱区波谱区 微波微波微波微波 来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁 无线电波无线电波无线电波无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁来自原子核自旋能级的跃迁来
9、自原子核自旋能级的跃迁来自原子核自旋能级的跃迁电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列，称电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列，称。射线射线 X 射线射线紫外光紫外光可见光可见光红外光红外光微波微波无线电波无线电波波长波长波长波长长长长长本讲稿第十五页，共四十五页利用紫外线强烈地吸收利用紫外线强烈地吸收X射线没有办法使其聚焦射线没有办法使其聚焦返回返回本讲稿第十六页，共四十五页82 电子的波性及波长电子的波性及波长 比可见光波长更短的有：比可见光波长更短的有：1 1）紫外线）紫外线 会被物体强烈的吸收；会被物体强烈的吸收；2 2）X X 射线射线 无法使其会聚无法使其会聚 ；3 3）电子波）电子波 根据德
10、布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性，也根据德布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性，也具有波动性。电子波具有波动性。电子波 本讲稿第十七页，共四十五页 h Plank h Plank 常数常数 ，m m v v 电子速度电子速度显然，显然，v v越大，越大，越小，电子的速度与其加速电压（越小，电子的速度与其加速电压（E E伏特）有关伏特）有关即即而而则则 埃埃即若被即若被150150伏的电压加速的电子，波长为伏的电压加速的电子，波长为 1 1 埃。若加速电压很高，就埃。若加速电压很高，就应进行相对论修正。应进行相对论修正。返回返回本讲稿第十八页，共四十五页一、电子在静电场中的运动和静电透镜一、
11、电子在静电场中的运动和静电透镜 电电子子是是带带负负电电粒粒子子，电电子子波波在在静静电电场场或或磁磁场场中中运运动动，与与光光波波在在不不同折射率的介质中传播比较，具有相似的光学性质同折射率的介质中传播比较，具有相似的光学性质.1静电场与电子光学折射定律静电场与电子光学折射定律静电场静电场相对于观察者为静止的，不随时间变化的电场。相对于观察者为静止的，不随时间变化的电场。均匀电场的三个特点：均匀电场的三个特点：(P83)电子光学折射定律：电子光学折射定律：Sin/Sin=（V2/V1）1/2=1/2 83电子在电磁场中的运动和电子在电磁场中的运动和电子透镜电子透镜本讲稿第十九页，共四十五页平
12、行板电极电场平行板电极电场电场对电子的折射电场对电子的折射请同学们看书请同学们看书8384本讲稿第二十页，共四十五页2静电透镜静电透镜定义定义:把能使电子波折射聚焦的具有旋把能使电子波折射聚焦的具有旋转对称等电位曲面簇的电极装置叫做静转对称等电位曲面簇的电极装置叫做静电透镜。电透镜。原理原理:见图见图8.3本讲稿第二十一页，共四十五页本讲稿第二十二页，共四十五页3静电透镜的特点静电透镜的特点静电透镜能使运动电子加速，静电透镜能使运动电子加速，获得能量，一般用于电子枪中形获得能量，一般用于电子枪中形成会聚的高能电子束。成会聚的高能电子束。本讲稿第二十三页，共四十五页二、电子在磁场中的运动二、电子
13、在磁场中的运动 和磁透镜和磁透镜1电子在磁场中的运动电子在磁场中的运动 由于磁场力和运动速度的影响，使电子向由于磁场力和运动速度的影响，使电子向轴偏转，绕轴旋转聚焦。轴偏转，绕轴旋转聚焦。本讲稿第二十四页，共四十五页本讲稿第二十五页，共四十五页n2磁透镜磁透镜n 把能使电子波聚焦的具有旋转对称非把能使电子波聚焦的具有旋转对称非均匀的磁极装置叫做磁透镜。均匀的磁极装置叫做磁透镜。n 恒磁透镜：恒磁体提供磁场。恒磁透镜：恒磁体提供磁场。n 电磁透镜：电磁线圈激磁。电磁透镜：电磁线圈激磁。本讲稿第二十六页，共四十五页 磁透镜磁透镜 静电透镜静电透镜1.改变线圈中的电流强度改变线圈中的电流强度可很方便
14、地控制焦距和放可很方便地控制焦距和放大率；大率；2.无击穿，供给磁透镜线无击穿，供给磁透镜线圈的电压为圈的电压为60到到100伏；伏；3.象差小。象差小。1.需很高的加速电压才可需很高的加速电压才可改变焦距和放大率；改变焦距和放大率；2.静电透镜需数万伏电压，静电透镜需数万伏电压，常会引起击穿；常会引起击穿；3.象差较大。象差较大。磁透镜和静电透镜的比较磁透镜和静电透镜的比较目前，应用较多的是磁透镜，我们只是分析磁目前，应用较多的是磁透镜，我们只是分析磁透镜是如何工作的。透镜是如何工作的。本讲稿第二十七页，共四十五页3电磁透镜特点电磁透镜特点：能使电子偏转会聚成像，不能加速电子；能使电子偏转会
15、聚成像，不能加速电子；总是会聚透镜；总是会聚透镜；焦距、放大倍数连续可调焦距、放大倍数连续可调。返回返回本讲稿第二十八页，共四十五页84 电子透镜的缺陷和分辨距离电子透镜的缺陷和分辨距离 电子透镜也存在缺陷，使得实际分辨距离远小于理论分辨距离，对电镜分辨本领起作用的是球差、象散和色差。1）球 差 球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能力不同而造成的。远轴的电子通过透镜后折射得比近轴电子要厉害得多，以致两者不交在一点上，结果在象平面成了一个漫散圆斑，半径为还原到物平面，则 为球差系数，最佳值是0.3 mm。为孔径角，透镜分辨本领随其增大而迅速变坏。本讲稿第二十九页，共四十五页P象象
16、P透镜透镜物物P光轴光轴图图 球差球差本讲稿第三十页，共四十五页2）象差 磁场不对称时，就出现象差。有的方向电子束的折射比别的方向强，如图所示，在A平面运行的电子束聚焦在Pa点，而在B平面运行的电子聚焦在Pb点，依次类推。这样，圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑，其平均半径为还原到物平面 为象散引起的最大焦距差；透镜磁场不对称，可能是由于极靴被污染，或极靴的机械不对称性，或极靴材料各项磁导率差异引起。象散可由附加磁场的电磁消象散器来校正。本讲稿第三十一页，共四十五页平面平面BPA透镜平面透镜平面物物P光轴光轴PBfA 平面平面A图图 象散象散 本讲稿第三十二页，共四十五页3）色差 电子的能量
17、不同，从而波长不一造成的。电子透镜的焦距随着电子能量而改变，因此，能量不同的电子束将沿不同的轨迹运动。产生的漫散圆斑还原到物平面，其半径为 是透镜的色差系数，大致等于其焦距，是电子能量的变化率。引起电子束能量变化的主要有两个原因：一是电子的加速电压不稳定；二是电子束照射到试样时，和试样相互作用，一部分电子发生非弹性散射，致使电子的能量发生变化。使用薄试样和小孔径光阑将散射角大的非弹性散射电子挡掉，将有助于减小色散。本讲稿第三十三页，共四十五页能量为能量为E的的电子轨迹电子轨迹象象1透镜透镜物物P光轴光轴图图 色差色差能量为能量为E-E的的电子轨迹电子轨迹象象2本讲稿第三十四页，共四十五页本讲稿
18、第三十五页，共四十五页 在电磁透镜中，球差对分辨率的影在电磁透镜中，球差对分辨率的影响最为重要，因为没有一种简便的方法响最为重要，因为没有一种简便的方法使其矫正过来。而其他像差在设计和制使其矫正过来。而其他像差在设计和制造时，采取适当的措施是可以消除的。造时，采取适当的措施是可以消除的。Pay Attention!本讲稿第三十六页，共四十五页电磁透镜分辨率电磁透镜分辨率（分辨距离、分辨本领）（分辨距离、分辨本领）光学显微镜的分辨本领基本上决定于象差和衍射。光学显微镜的分辨本领基本上决定于象差和衍射。电子透镜中，不能用大的孔径角，若这样做，象差就会很大，电子透镜中，不能用大的孔径角，若这样做，象
19、差就会很大，故可通过减小孔径角的方法来减小象差，提高分辨本领，但不能过小。故可通过减小孔径角的方法来减小象差，提高分辨本领，但不能过小。显微镜的分辨极限是：显微镜的分辨极限是：在电镜情况下：在电镜情况下：可见，孔径角过小，会使分辨本领变差，但过大则球差变大。这就是说，可见，孔径角过小，会使分辨本领变差，但过大则球差变大。这就是说，孔径角的最佳尺寸应该是球差和衍射两者所限定的值。孔径角的最佳尺寸应该是球差和衍射两者所限定的值。本讲稿第三十七页，共四十五页 目前，通用的较精确的理论分辨本领公式和最佳孔径角公目前，通用的较精确的理论分辨本领公式和最佳孔径角公式为：式为：将各类电镜缺陷的影响减至最小，
20、电子透镜的分辨本领比光将各类电镜缺陷的影响减至最小，电子透镜的分辨本领比光学透镜提高了学透镜提高了一千倍一千倍左右。左右。返回返回本讲稿第三十八页，共四十五页85电子透镜的景深和焦深电子透镜的景深和焦深 电子透镜电子透镜分辨本领大分辨本领大，场深（景深）大，焦深长场深（景深）大，焦深长。景深景深是指在保持象清晰的前提下，试样在物平面上是指在保持象清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离，或者说试样超越物平面所允许下沿镜轴可移动的距离，或者说试样超越物平面所允许的厚度。的厚度。焦深焦深是指在保持象清晰的前提下，象平面沿镜轴可移是指在保持象清晰的前提下，象平面沿镜轴可移动的距离，或者说观察
21、屏或照相底版沿镜轴所允许的移动动的距离，或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。距离。电子透镜所以有这种特点，是由于所用的孔径角非常小电子透镜所以有这种特点，是由于所用的孔径角非常小的缘故。这种特点在电子显微镜的应用和结构设计上具有重的缘故。这种特点在电子显微镜的应用和结构设计上具有重大意义。大意义。本讲稿第三十九页，共四十五页景深的关系可以从图推导出来。在景深的关系可以从图推导出来。在 的条的条件下，景深件下，景深如如 埃，埃，弧度时，弧度时，大约大约是是1400埃，这就是说，厚度小于埃，这就是说，厚度小于1400埃的试样，埃的试样，其间所有细节都可调焦成象。由于电子透镜景其间所有细节
22、都可调焦成象。由于电子透镜景深大，电子透镜广泛应用在断口观察上。深大，电子透镜广泛应用在断口观察上。本讲稿第四十页，共四十五页2MXRL2L1Qi2XQDf透镜透镜象平面象平面景深示意图景深示意图本讲稿第四十一页，共四十五页以下是焦深的示意图。由图可以看出，由于 即所以这里的M是总放大倍数。可见，焦深是很大的。例如，埃时，米。当然，这一结果只有在 时才是正确的，即便如此，所得的也是很大的。因此，当用倾斜观察屏观察象时，以及当照相底片不位于观察屏同一象平面时，所拍照的象依然是清晰的。本讲稿第四十二页，共四十五页屏屏透镜透镜L1L2Df2d最小 M焦深示意图焦深示意图本讲稿第四十三页，共四十五页返回返回本讲稿第四十四页，共四十五页作业 1、多重性因数的物理意义是什么？2、叙述X射线粉末法分析试样过程，在衍射数据和卡片对比不完全符合时，X射线衍射图判读原则是什么？3、非晶态物质的X射线衍射与晶态物质的有何不同？4、说明影响电磁透镜分辨率的关键因素是什么？如何提高电磁透镜的分辨率？本讲稿第四十五页，共四十五页