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1、关于电子显微镜(1)1第一页，本课件共有41页2第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理电子显微分析电子显微分析1 电子显微镜概述2 电子波的波长3 电磁透镜4 电磁透镜的缺陷5 电磁透镜的景深和焦长6 电子显微镜的构成7 与光学显微镜的比较第二页，本课件共有41页31.电子显微镜概述电子显微镜概述电子显微分析电子显微分析（1）电子显微镜包括以下三种类型的仪器：扫描电子显微镜扫描电子显微镜：Scanning Electron Microscopy（SEM）用于微形貌观察、显微成分分析透射电子显微镜透射电子显微镜：Transparent Electron Microscopy（TEM）
2、用于微结构分析、微形貌观察电子探针电子探针：Electron Probe Microscopic analyzer（EPMA）微区成分分析、显微形貌观察第三页，本课件共有41页4粉煤灰的SEM照片 从煤粉炉烟道气体中收集的粉末称为粉煤灰。4000 第四页，本课件共有41页5一种金属喷雾粒子的SEM照片第五页，本课件共有41页6 （a）双晶ZnO纳米带的扫描透射照片(b)双晶纳米带晶界处的EDS谱(c)双晶纳米带两边的EDS谱.第六页，本课件共有41页7Cu纳米线纳米线纳米线纳米线该图为在铝阳极氧化膜的孔中生长的Cu纳米线照片。纳米线照片。第七页，本课件共有41页8“飘摇飘摇飘摇飘摇”（碳纳米管
3、）（碳纳米管）（碳纳米管）（碳纳米管）该图片是一种特定工艺条件下生长的碳纳米管形貌。碳纳米该图片是一种特定工艺条件下生长的碳纳米管形貌。碳纳米管具有强度高，韧性好的特点，可用于复合材料，还可用于管具有强度高，韧性好的特点，可用于复合材料，还可用于特殊电子元件特殊电子元件(如场发射灯丝和平板显示器发光材料如场发射灯丝和平板显示器发光材料)。第八页，本课件共有41页9“蔓蔓蔓蔓”（羟基磷灰石）（羟基磷灰石）（羟基磷灰石）（羟基磷灰石）图为羟基磷灰石形貌。其形成过程为：首先在动物身上图为羟基磷灰石形貌。其形成过程为：首先在动物身上提取的胶原蛋白复合海绵体，该海绵体经模拟液浸泡后提取的胶原蛋白复合海绵
4、体，该海绵体经模拟液浸泡后生长形成如图所示的羟基磷灰石。生长形成如图所示的羟基磷灰石。第九页，本课件共有41页10“巢巢巢巢”(铝阳极氧化膜铝阳极氧化膜铝阳极氧化膜铝阳极氧化膜)该图为铝阳极氧化膜显微结构。该膜具有防腐、耐磨和绝缘的特性，因此被广泛用于电子和工业领域。第十页，本课件共有41页11（2）分辨率）分辨率 任何显微镜的用途都是将物体放大，使物体上的细微部分清晰地显示出来，帮助人们观察用肉眼直接看不见的东西。假如物体上两个相隔一定距离的点，利用显微镜把他们区分开来，这个距离的最小极限，即可以分辨的两个点的最短距离称为显微镜的分辨率，或称分辨本领。电子显微分析电子显微分析 第一章第一章
5、电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理第十一页，本课件共有41页12 人的眼睛的分辨本领为0.5mm左右,极限分辨本领0.1mm。一个物体上的两个相邻点能被显微镜分辨清晰，主要依靠显微镜的物镜。假如在物镜形成的像中，这两点未被分开的话，则无论用多大倍数的投影镜或目镜，也不能再把它们分开。电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理第十二页，本课件共有41页13r0：两物点的间距；：光线的波长；n：透镜周围介质的折射率；n sin：数值孔径，用N.A表示。将玻璃透镜的一般参数代入上式，即最大孔径半角=70-75，在介质为油的情况下，n1.5,其数值孔径n sin1.
6、25-1.35，上式可化简为：电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理根据光学原理，两个发光点的分辨距离为：第十三页，本课件共有41页14 这说明，显微镜的分辨率取决于可见光的波长，而可见光的波长范围为390 760nm，故而光学显微镜的分辨率不可能高于200nm。电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理半波长原理第十四页，本课件共有41页15 为进一步提高光学显微镜的分辨率，唯一的可能是利用短波长的电磁波。例如用紫外线（400nm）作光源，分辨率可提高一倍。当电子的波动性被发现后，很快就被用来作为提高显微镜分辨率的新光源
7、，即出现了电子显微镜。目前电子显微镜的放大倍数已达到数十万倍，这是光学显微镜所无法达到的。下面来计算电子束的波长。电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理第十五页，本课件共有41页162 2 电子波的波长电子波的波长已知电子束具有波动性，对于运动速度为v，质量为m的电子波的波长为：=h/mv电子的速度v和加速电压U之间存在下面的关系 eU 1/2 mv2即 v（2eU/m）1/2 由此得 h/(2emU)1/2 代入h=6.6210-34J.S (Planck 常数),m=9.1110-31kg，e=1.6010-19c 12.25/U1/2 U的单位用伏特
8、，的单位为。电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理第十六页，本课件共有41页17 前面计算的过程中，电子的质量采用的是静止时的质量，但根据相对论理论，在高速运动的情况下，其质量有变化：mm0/1-(v/c)21/2 v为电子运动的速度，c为光速。波长与电压的计算公式应引入相对论校正为 12.25/U(1+0.978810-6U)1/2电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理第十七页，本课件共有41页18电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理加速电压与电子波长的关系如下表所示：光源问题
9、：可见，只要能使加速电压提高到一定值就可得到很短的电子波。正是这一原因，用高压加速电子就成为近代电镜的最重要特点，用这样的电子波作为照明源就可显著提高显微镜的分辨本领。问题是能否制造出使电子波聚焦成像的透镜。第十八页，本课件共有41页193 3 电磁透镜电磁透镜电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理 我们知道，光学显微镜是利用玻璃透镜使可见光聚焦成像的。电子和可见光不同，它是一带电粒子，不能凭借光学透镜会聚成像。电子显微镜可以利用电场或磁场使电子束聚焦成像，其中用静电场成像的透镜称为静电透镜，用电磁场成像的称为电磁透镜。由于静电透镜从性能上不如电磁透镜，所
10、以在目前研制的电子显微镜中大都采用电磁透镜。第十九页，本课件共有41页20电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理电子在磁场中的运动：第二十页，本课件共有41页21电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理运动电子在磁场中受到Lorentz力作用，其表达式为：式中：e-运动电子电荷；v-电子运动速度矢量；B-磁感应强度矢量；F-洛仑兹力。显然，F的方向垂直于矢量v和B所决定的平面，力的方向可由右手法则确定。第二十一页，本课件共有41页22电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理（1）vB，
11、则F=0，电子不受磁场力作用，其运动速度的大小及方向不变；（2）若vB，则FqVB，即只改变运动方向，不改变运动速度，从而使电子在垂直于磁力线方向的平面上做匀速圆周运动。（3）若v与B既不垂直也不平行，而成一定夹角，则其运动轨迹为螺旋线。FqVBsin(为B与V的夹角)第二十二页，本课件共有41页23电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理下图是一常用的电磁透镜剖面图。磁力线围绕短线圈呈环状。第二十三页，本课件共有41页24电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理以上表明电磁透镜与光学玻璃凸透镜具有相似的聚焦性质。第二十四
12、页，本课件共有41页254 4 电磁透镜的缺陷电磁透镜的缺陷电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理 电子波波长很短，在100KV的加速电压下，电子波波长为0.037，用这样短波长的电子波做显微镜的照明源，根据0=0.61/（nsin）显微镜的最小分辨率可达0.02左右。然而到目前为止，电镜的最佳分辨率仍停留在1-2的水平。原因：电磁透镜存在球差，像散及色差等各种缺陷-像差。第二十五页，本课件共有41页26电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理（1）球差（球面像差）球差是由于电磁透镜中心区域和边缘区域磁场强度的差异，从而
13、造成对电子会聚能力不同而造成的。远轴电子通过透镜时被折射得比近轴电子要厉害得多，因而有同一物点散射的电子经过透镜后不交在一点上，而是在透镜相平面上变成了一个漫射圆斑。第二十六页，本课件共有41页27电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理（2）像散 像散是由于透镜的磁场轴向不对称所引起的一种像差。磁场不同方向对电子的折射能力不一样，电子经透镜后形成界面为椭圆状的光束，是圆形物点的像变成了一个漫射圆斑。第二十七页，本课件共有41页28电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理（3）色差 色差是由于成像电子的能量或波长不同而引起
14、的一种像差。能量大的电子在距透镜中心比较远的地点聚焦，而能量较低的电子在距透镜中心比较近的地点聚焦。结果使得由同一物点散射的具有不同能量的电子经透镜后不再会聚于一点，而是在像面上形成一漫射圆斑。第二十八页，本课件共有41页29电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理 由于上述像差的存在，虽然电子波长只有光波长的十万分之一左右，但尚不能使电磁透镜的分辨率提高十万倍。目前还不能制造出无像差的大孔径角的电磁透镜，而只能采用很小的孔径角尽可能减小球差等缺陷的影响。电磁透镜的分辨本领只比光学透镜提高一千倍左右。第二十九页，本课件共有41页305 5 电磁透镜的景深和焦
15、长电磁透镜的景深和焦长电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理（1）景深 透镜的景深是指在保持像清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离Df。换言之，在景深范围内，样品位置的变化并不影响物像的清晰度。造成景深现象的原因是像差和衍射综合影响的结果。景深大小Df与物镜的分辨本领0成正比，而与孔径半角成反比，即：Df 2 0/20：为电磁透镜的分辨本领，：为孔径半角。第三十页，本课件共有41页31电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理 因此，电磁透镜的孔径半角越小，景深越大。一般电磁透镜的102103 rad，因此Df
16、(2002000)0若010A，则 Df200020000A即电子显微镜对于高度相差在2000A的物体，可以同时聚焦在成像平面上。第三十一页，本课件共有41页32电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理（2）焦长 当透镜焦距和物距一定时，像平面沿轴向一定距离内移动，也会引起失焦。但如果所引起的失焦尺寸不大于其他原因所引起的散焦斑大小，则对透镜的分辨率没有影响。DL2 0M2/一般的电镜焦长都超过一般的电镜焦长都超过10-20cm。因此，只要图象在显示屏上是清晰的，因此，只要图象在显示屏上是清晰的，那么在屏的上下那么在屏的上下10cm范围放置胶片，得范围放置胶
17、片，得到的图象依然是清晰的。到的图象依然是清晰的。第三十二页，本课件共有41页336 电子显微镜的构成电子显微镜的构成电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理（1）扫描电子显微镜 (日本JSM-6390LV)第三十三页，本课件共有41页34电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理（2）透射电子显微镜第三十四页，本课件共有41页35电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理（3）电子探针第三十五页，本课件共有41页366 6 与光学显微镜的比较（与光学显微镜的比较（1）电子显微分析电子显微分
18、析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理(1)光源 电子束 波长 0.037A 可见光 40007500A(2)媒介 真空 104108托 大气 1=133Pa(3)透镜 电子透镜（电磁铁）光学透镜（玻璃透镜）(4)分辨率 透射电镜 1.4 可见光区 2000 扫描电镜 60 紫外光区1000 第三十六页，本课件共有41页376 6 与光学显微镜的比较（与光学显微镜的比较（2）电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理(5)放大倍数 10100万,连续可调 102000 换镜头第三十七页，本课件共有41页386 6 与光学显微镜的比较（与光学显微
19、镜的比较（3）电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理(6)景深 1000倍时30um 1000倍时0.1um(7)聚焦原理 电子聚焦 机械聚焦(8)图象特点 黑白灰度 彩色或黑白 2000A第三十八页，本课件共有41页396 6 与光学显微镜的比较（与光学显微镜的比较（4）电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理(9)主要图象 透射电子像 光学透射、反射、干涉像 二次电子像 背散射电子像 吸收电子像 X射线面扫描像 X射线线扫描像(10)主要附件 电子衍射装置 偏光、反光、锥光 特征X射线波谱仪 特征X射线能谱仪 俄歇电子谱仪 第三十九页，本课件共有41页40作业作业电子显微分析电子显微分析 第一章第一章 电子显微镜基本原理电子显微镜基本原理1 电子波的特征及与可见光的异同。2 电子透镜的像差。3 电子显微镜景深大的原因及用途。第四十页，本课件共有41页2022/12/11感谢大家观看第四十一页，本课件共有41页