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1、材 料 电 子 显 微 学Electron Microscopy in Materials1本课程适用于材料科学、物理学、化学工程、机械工程等学科的本科生。本课程讲述电子显微镜及其在材料科学中的应用，主要包括电子显微学的主要原理，电子衍射结构分析，电子衍衬图象解释，以及电子显微分析技术的最新进展。课 程 简 介2基基 本本 要要 求求通过本课程的学习，初步掌握分析电子显微通过本课程的学习，初步掌握分析电子显微学的主要原理，电子衍射结构分析，电子衍学的主要原理，电子衍射结构分析，电子衍衬图象解释，了解电子显微分析技术的最新衬图象解释，了解电子显微分析技术的最新进展，能够正确地运用电子显微学基本原
2、理进展，能够正确地运用电子显微学基本原理开展有关材料微结构与性能关系的研究。开展有关材料微结构与性能关系的研究。3参参 考考 书书 目目电子显微图像分析原理与应用,黄孝瑛 等,宇航出版社，1987年。薄晶体电子显微学,赫什 等著,刘安生 等译,吴自勤等校,科学出版社,1992年。透射电子显微学进展，叶恒强，王元明主编，科学出版社，2003年金属电子显微分析，陈世朴，王永瑞，机械工业出版社，1985年电子衍射物理教程 王蓉著 冶金工业出版社（2002）4学 习 内 容前言-电镜的发展历史简介电子光学基础与电子透镜电子显微镜的主要结构与成像试样制备衍射花样分析电镜显微图像解释X射线显微分析和俄歇能
3、谱分析5 前 言6肉眼7 荷兰的眼镜商詹森（Zaccharias Janssen）Janssen和他的显微镜世界上最早的一台显微镜显微镜的发展历史 16世纪8复合式显微镜9Marcello Malpighi通过显微镜为血液循环理论提供了证据 Robert Hook改进了显微镜，并发现了细胞 显微镜的发展历史 17世纪Robert Hooke和他的显微镜10Hooke观察到的软木片的细胞结构Hooke显微镜下的跳蚤11荷兰人安东尼冯列文虎克（Anthony Von Leeuwenhoek)列文虎克的显微镜显微镜的发展历史 17世纪12现代的光学显微镜显微镜的发展历史 1819世纪13光学显微镜的
4、缺陷光学显微镜的缺陷 在光学显微镜的完善和发展过程中，人们发现：不管如何完善光学显微镜的透镜和结构，其放大倍数和分辨率总是被限定在1000多倍和几百纳米的水平，不可能再有新的突破。1415光学显微镜的分辨本领透镜的分辨本领=/2光学显微镜=r0/nsina16透镜能分辨的两点间的最小距离，即分辨本领主要取决于照明波长。半波长是光学玻璃透镜分辨本领的理论极限。要提高显微镜的分辨本领，关键是要有短波长的照明源。必须寻找一种波长短，且能使之聚焦成像的新型的照明源，才有可能突破光学显微镜分辨本领和放大倍数的理论极限。17显微镜的发展历史 20世纪两个发现两个发现法国科学家德法国科学家德.布罗意（布罗意
5、（De BroglieDe Broglie）5050kv加速电压下，电子的波长大约为加速电压下，电子的波长大约为18显微镜的发展历史 20世纪两个发现两个发现德国科学家加博尔和布施德国科学家加博尔和布施短短焦焦距距、有有会会聚聚能能力力的的线线圈圈对对电电子子能能起起透透镜镜的的作作用用，就就如如同同普普通通的的可可见见光光通通过过光光学透镜被折射聚焦一样学透镜被折射聚焦一样。19显微镜的发展历史 20世纪鲁斯卡（鲁斯卡（RuskaRuska）的早期工作）的早期工作第一件工作：系统的研究单个磁场（磁第一件工作：系统的研究单个磁场（磁透镜）的光学行为。透镜）的光学行为。第二件工作：一个磁透镜形成
6、的电子像第二件工作：一个磁透镜形成的电子像有没有可能被第二个磁透镜再进一步的有没有可能被第二个磁透镜再进一步的放大。放大。20显微镜的发展历史 20世纪鲁斯卡（鲁斯卡（RuskaRuska）的早期工作）的早期工作19331933年，鲁斯卡（年，鲁斯卡（RuskaRuska）和克诺尔）和克诺尔（KnollKnoll）共同设计成功了一台电子光学）共同设计成功了一台电子光学装置。装置。19331933年底，建成了一台真正的电子显微年底，建成了一台真正的电子显微镜。镜。21其他人的工作其他人的工作显微镜的发展历史 20世纪v19331933年底，年底，Marton(Marton(马顿马顿)v19351
7、935年，年，Drest(Drest(德里斯特德里斯特)和和Mueller(Mueller(米勒米勒)v19351935年，年，KnollKnoll（克诺尔）（克诺尔）22第一台实用电子显微镜第一台实用电子显微镜19381938年年，鲁鲁斯斯卡卡（RuskaRuska）成成功功研研制制出出了了世世界界上上第第一一台台真真正正实实用用的的透透射射电电子子显显微微镜镜。分分辨辨本本领领可可达达100100，比光学显微镜提高了比光学显微镜提高了2020倍。倍。显微镜的发展历史 20世纪2319391939年年，德德国国Siemens-Halske(Siemens-Halske(西西门门子子-哈哈尔尔
8、斯斯科科)公公司司以以这这台台电电子子显显微微镜镜为为样样机机生生产产了了世世界界上上第第一一批批（约约4040台台）商商品品电电子子显显微微镜镜。并并在在战战后后运运到到了了其他国家。其他国家。人人类类从从光光学学显显微微镜镜的的时时代代进进入入了了电电子显微镜的时代。子显微镜的时代。显微镜的发展历史 20世纪2419521952年年，英英国国工工程程师师Charles Charles OatleyOatley制制造造出出了了第第一一台台扫扫描描电电子子显显微镜（微镜（SEMSEM）。）。显微镜的发展历史 20世纪2519831983年年，IBMIBM公公司司苏苏黎黎世世实实验验室室的的两两
9、位位科科学学家家Gerd Gerd BinnigBinnig（宾宾尼尼希希）和和Heinrich Heinrich RohrerRohrer（罗罗雷雷尔）发明了扫描隧道显微镜（尔）发明了扫描隧道显微镜（STMSTM）。）。显微镜的发展历史 20世纪扫描隧道显微镜下的由单个原子构成的“IBM”字样扫描隧道显微镜下的由单个原子排成的环26Ernst Ernst RuskaRuska，Gerd Gerd BinnigBinnig和和Heinrich Heinrich RohrerRohrer（从从左左至至右右）分分别别因因为为发发明明电电子子显显微微镜镜和和扫扫描描隧隧道道显微镜而分享显微镜而分享19861986年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。显微镜的发展历史 20世纪27第一个阶段：30年代到50年代第二个阶段：50年代到60年代第三个阶段：60年代到70年代第四个阶段：70年代至今电子显微镜发展的四个阶段28扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEMSEM）扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STMSTM）超高压透射电镜超高压透射电镜（TEMTEM）29材料微观结构的研究材料成分和结构分析半导体中的应用地质学中的应用考古学方面的应用电子显微镜的应用30