第07章电子光学基础PPT讲稿.ppt

《第07章电子光学基础PPT讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第07章电子光学基础PPT讲稿.ppt（60页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第07章电子光学基础第1页，共60页，编辑于2022年，星期一本课程主要介绍的材料表征手段1.透射电子显微镜（TEM）形貌观察和晶相结构分析2.扫描电子显微镜（SEM）表面形貌表征3.电子探针（WDS,EDS）微区成分分析4.俄歇电子能谱（AES）表面化学成分分析5.场离子显微镜（FIM）原子表面的直接成像6.扫描隧道显微镜（STM）与 原子力显微镜（AFM）样品表面高分辨形貌分析7.X射线光电子能谱（XPS）表面元素价态分析第2页，共60页，编辑于2022年，星期一纳米InVO4粉体TEM照片第3页，共60页，编辑于2022年，星期一ZnO纳米带高分辨TEM照片第4页，共60页，编辑于202

2、2年，星期一SEM照片第5页，共60页，编辑于2022年，星期一W晶体FIM照片第6页，共60页，编辑于2022年，星期一第7页，共60页，编辑于2022年，星期一Mo单晶STM照片第8页，共60页，编辑于2022年，星期一STM图像 图中的“IBM”是由单个原子构成的 第9页，共60页，编辑于2022年，星期一AFM照片第10页，共60页，编辑于2022年，星期一XPS谱图第11页，共60页，编辑于2022年，星期一学习了材料测试技术后可以做的事情：微观组织观察（扫描电镜）例如薄膜表面形貌，金属断面、相结构分析。显微结构分析（透射电镜）例如纳米结构（纳米带、纳米花、纳米针、纳米线、自组装纳米

3、分子）形貌的观察。成分、晶相结构分析（电子探针、XRD）例如鉴定材料的纯度和杂质含量，可以分析黄金、珠宝等首饰的纯度。第12页，共60页，编辑于2022年，星期一第七章 电子光学基础中国石油大学(北京)材料科学与工程系第13页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜第一节 电子波与电磁透镜光学显微镜发展简介光学显微镜的分辨极限电子波的波长电磁透镜的原理第14页，共60页，编辑于2022年，星期一一、光学显微镜发展简史一、光学显微镜发展简史n1590年，荷兰的詹森父子(Hans and zachrias Janssen)制造出第一台原始的、放大倍数约

4、为20倍的显微镜。n1610年，意大利物理学家伽利略(Galileo)制造了具有物镜、目镜及镜筒的复式显微镜。n1665年，英国物理学家罗伯特胡克(Robert Hooke)用左下图这台复式显微镜观察软木塞时发现了小的蜂房状结构，称为“细胞”，由此引起了细胞研究的热潮。n 1684年，荷兰物理学家惠更斯(Huygens)设计并制造出双透镜目镜惠更斯目镜，是现代多种目镜的原型。这时的光学显微镜已初具现代显微镜的基本结构。（左）1665年 R.Hoock用来发现细胞的光学显微镜，(右)1848年的显微镜。第15页，共60页，编辑于2022年，星期一现代光学显微镜现代光学显微镜现代光学显微镜现代光学

5、显微镜第16页，共60页，编辑于2022年，星期一光学显微镜发展简史光学显微镜发展简史n在显微镜的发展史中，贡献最为卓著的是德国的物理学家、数学家和光学大师恩斯特阿贝(Ernst Abbe)。n他提出了显微镜的完善理论，阐明了成像原理、数值孔径等问题，在1870年发表了有关放大理论的重要文章。n两年后，又发明了油浸物镜，并在光学玻璃、显微镜的设计和改进等方向取得了光辉的业绩。第17页，共60页，编辑于2022年，星期一放大放大放大放大200200200200倍的斜纹藻倍的斜纹藻倍的斜纹藻倍的斜纹藻 放大放大放大放大30303030倍碳纳米管倍碳纳米管倍碳纳米管倍碳纳米管 光学显微镜照片光学显微

6、镜照片光学显微镜照片光学显微镜照片第18页，共60页，编辑于2022年，星期一放大放大放大放大40404040倍的新月藻、硅倍的新月藻、硅倍的新月藻、硅倍的新月藻、硅藻和水棉藻和水棉藻和水棉藻和水棉放大放大放大放大200200200200倍的昆虫后腿倍的昆虫后腿倍的昆虫后腿倍的昆虫后腿光学显微镜照片光学显微镜照片光学显微镜照片光学显微镜照片第19页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜二、光学显微镜的分辨极限 光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了重要的工具。随着科学技术的发展，光学显微镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分析的需求。上世纪3

7、0年代后，电子显微镜的发明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、晶体结构、成分分析于一体。人类认识微观世界的能力有了长足发展。第20页，共60页，编辑于2022年，星期一第21页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜光学显微镜的成像原理第22页，共60页，编辑于2022年，星期一分辨本领分辨本领：成像物体（试样）上能分辨出来的两个物点间的最小距离。光学显微镜分辨本领的理论极限为：一般取：7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜光学显微镜的分辨本领对于可见光，其波长范围为390760nm因此根据上式

8、光学显微镜的分辨本领极限：200nm第23页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜为什么光学显微镜会有分辨极限？衍射效应衍射效应：透镜各部分折射到像平面上的像点及其周围区域的光波相互发生干涉作用、产生衍射的现象。(在像平面上一个点形成一个中心最亮、周围带有明暗相间同心圆环的斑点，即埃利斑)。当两个光斑强度峰间的强度谷值比强度峰值低19，这个强度反差对人眼来说是刚有所感觉。分辨两个埃利斑像的判据是：两个埃利斑中心间距等于第一暗环半径。第24页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜二、光学显微镜的分辨极

9、限问题:你知道人眼的分辨本领是多少吗?0.2 mm!第25页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜二、光学显微镜的分辨极限问题:一般光学显微镜的最大有效放大倍数是多少？0.2 mm/200 nm=1000倍！那怎么样能够得到更大有效放大倍数的显微镜？用更短波长的光源！那什么光源更合适呢？第26页，共60页，编辑于2022年，星期一第27页，共60页，编辑于2022年，星期一如何提高显微镜的分辨率如何提高显微镜的分辨率n要想提高显微镜的分辨率，关键是降低照明光源的波长。要想提高显微镜的分辨率，关键是降低照明光源的波长。n顺着电磁波谱朝短波长方向寻找

10、，紫外光的波长在顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在13-390nm之之间，比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地吸收紫外光，因间，比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地吸收紫外光，因此紫外光难以作为照明光源。此紫外光难以作为照明光源。n更短的波长是更短的波长是X射线。但是，迄今为止还没有找到能使射线。但是，迄今为止还没有找到能使X射线改射线改变方向、发生折射和聚焦成像的物质，也就是说还没有变方向、发生折射和聚焦成像的物质，也就是说还没有X射线射线的透镜存在。因此的透镜存在。因此X射线也不能作为显微镜的照明光源。射线也不能作为显微镜的照明光源。n除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具

11、有短波长，而且存除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波长，而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为照明光源，由在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。此形成电子显微镜。第28页，共60页，编辑于2022年，星期一电子波的波长是可以改变的 7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜三、电子波的波长可见光的波长大约390 nm到760 nm之间。如果加速电压是100 kV的话，电子波的波长可是凸透镜不能用来折射电子波呀？比可见光短十万倍。第29页，共60页，编辑于2022年，星期一 不同加速电压下的电子波波长不同加速电压下的电子波波长 20

12、406080100 0.008590.006010.004870.004180.00371 1201602005001000 0.003340.002850.002510.001420.00087 加速电压U/KV电子波长/nm加速电压U/KV电子波长/nm第30页，共60页，编辑于2022年，星期一1939-First commercial TEM built in North America by James James HillierHillier and Albert PrebusAlbert Prebus at the University of TorontoDr.PrebusDr

13、.Ladd第31页，共60页，编辑于2022年，星期一第32页，共60页，编辑于2022年，星期一左手定则 7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜四、电磁透镜其原理利用的是电子在磁场中的偏转现象。其原理利用的是电子在磁场中的偏转现象。其原理利用的是电子在磁场中的偏转现象。其原理利用的是电子在磁场中的偏转现象。HvvvvFFFF电子在磁场中的运动和受力第33页，共60页，编辑于2022年，星期一电磁透镜原理图 7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜四、电磁透镜第34页，共60页，编辑于2022年，星期一电磁透镜原理图 7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜四、电磁透

14、镜第35页，共60页，编辑于2022年，星期一换一种角度思考：当电子速度v与磁感应强度B夹角不等于90度时，电子将作螺旋运动。7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜四、电磁透镜第36页，共60页，编辑于2022年，星期一电磁透镜原理图 7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜四、电磁透镜第37页，共60页，编辑于2022年，星期一n 短线圈磁场中的电子短线圈磁场中的电子运动显示了电磁透镜运动显示了电磁透镜聚焦成像的基本原理。聚焦成像的基本原理。实际电磁透镜中为了实际电磁透镜中为了增强磁感应强度，通增强磁感应强度，通常将线圈置于一个由常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低软磁材料

15、（纯铁或低碳钢）制成的具有内碳钢）制成的具有内环形间隙的壳子里环形间隙的壳子里（如右图）。（如右图）。第38页，共60页，编辑于2022年，星期一环形间隙可以使磁力线集中 7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜四、电磁透镜第39页，共60页，编辑于2022年，星期一 为了使线圈内的磁场强度进一步增强，可以在电磁线圈内加上一对磁性材料的锥形环极靴替带软铁磁壳上的内环形间隙，尺寸可以更精确。可使有效磁场集中到沿透镜轴向几毫米的范围之内 7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜四、电磁透镜第40页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-1 7-1 电子波与电磁透镜电子波与电磁透镜

16、电磁透镜的焦距和放大倍数可以通过改变激磁电流而连续变化。焦距加速电压激磁安匝数物距像距放大倍数四、电磁透镜第41页，共60页，编辑于2022年，星期一第二节 电磁透镜的像差与分辨本领球差的原理及其消除方法像散的原理及其消除方法色差的原理及其消除方法影响电磁透镜分辨本领的因素 7-2 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领电磁透镜的像差与分辨本领第42页，共60页，编辑于2022年，星期一几何像差几何像差：透镜磁场几何形状上的缺陷造成的像差。（球差、像散、慧差、场曲和畸变）色差色差：由于电子波长或者能量发生一定幅度的改变而造成的像差。7-2 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领电磁透镜的像差与分辨本领第4

17、3页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-2 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领电磁透镜的像差与分辨本领n球差是因为电磁透镜近轴区域球差是因为电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束磁场和远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的。的折射能力不同而产生的。n 原来的物点是一个几何点，原来的物点是一个几何点，由于球差的影响现在变成了由于球差的影响现在变成了半径为半径为rS的漫散圆斑。我的漫散圆斑。我们用们用rS表示球差大小，计算表示球差大小，计算公式为：公式为：n球差是像差影响电磁透镜分辨率的球差是像差影响电磁透镜分辨率的主要因素，它还不能象光学透镜那主要因素，它还不能象光学透镜那样通过凸透

18、镜、凹透镜的组合设计样通过凸透镜、凹透镜的组合设计来补偿或矫正。来补偿或矫正。（一）球差（一）球差第44页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-2 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领电磁透镜的像差与分辨本领一像差（一）球差如何减小球差？第45页，共60页，编辑于2022年，星期一消除球差的方法三：改变透镜形状。（很难）。消除方法一：小孔径成像 7-2 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领电磁透镜的像差与分辨本领一像差（一）球差消除球差的方法四：多片透镜组合（只适合于光学）消除方法二：大的激磁电流可以减小透镜球差（减小球差系数)第46页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-2 7-2 电磁透镜

19、的像差与分辨本领电磁透镜的像差与分辨本领n像散是由透镜磁场的非旋转像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的像差。当极靴内对称引起的像差。当极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错孔不圆、上下极靴的轴线错位、制作极靴的磁性材料的位、制作极靴的磁性材料的材质不均以及极靴孔周围的材质不均以及极靴孔周围的局部污染等都会引起透镜的局部污染等都会引起透镜的磁场产生椭圆度。磁场产生椭圆度。n将将R RA A折算到物平面上得到一折算到物平面上得到一个半径为个半径为rrA A的漫散圆斑，的漫散圆斑，用用rrA A表示像散的大小，其表示像散的大小，其计算公式为：计算公式为：一像差（二）像散n像散是可以消除的像差，可以通像散是可以

20、消除的像差，可以通过引入一个强度和方位可调的矫过引入一个强度和方位可调的矫正磁场来进行补偿。产生这个矫正磁场来进行补偿。产生这个矫正磁场的装置叫消像散器。正磁场的装置叫消像散器。第47页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-2 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领电磁透镜的像差与分辨本领一像差（二）像散消像散器。第48页，共60页，编辑于2022年，星期一色差是由于入射电子波长（或能量）的非单一性所造成的。7-2 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领电磁透镜的像差与分辨本领一像差（三）色差第49页，共60页，编辑于2022年，星期一三、色差三、色差n最小的散焦斑RC。同样将RC折算到物平面上，得到

21、半径为rC的圆斑。色差rC由下式来确定：n引起电子能量波动的原因有两个，一引起电子能量波动的原因有两个，一是电子加速电压不稳，致使入射电子是电子加速电压不稳，致使入射电子能量不同；二是电子束照射试样时和能量不同；二是电子束照射试样时和试样相互作用，部分电子产生非弹性试样相互作用，部分电子产生非弹性散射，致使能量变化。散射，致使能量变化。第50页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-2 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领电磁透镜的像差与分辨本领二、分辨本领电磁透镜的分辨本领由衍射效应和像差决定。影响电磁透镜图像清晰度的因素有哪些？电磁透镜的分辨本领由哪些因素决定？第51页，共60页，编辑于20

22、22年，星期一 7-2 7-2 电磁透镜的像差与分辨本领电磁透镜的像差与分辨本领二、分辨本领（一）衍射效应衍射效应波长介质的相对折射系数透镜的孔径半角第52页，共60页，编辑于2022年，星期一衍射效应的分辨率和球差造成的分辨率衍射效应的分辨率和球差造成的分辨率孔径半角对衍射效应的分辨率和球差造成的分辨率的影响是相反的。提高孔径半角可以提高分辨率r0，但却大大降低了rS。因此电镜设计中必须兼顾两者。唯一的办法是让rS=r0，考虑到电磁透镜中孔径半角很小（10-2-10-3rad），则 那么rS=r0，即：整理得：将上式代入，根据式上式透射电镜孔径半角通常是10-2-10-3rad；目前最佳的电

23、镜分辨率只能达到0.1nm左右。第53页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-3 7-3 电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深和焦长第三节 电磁透镜的景深和焦长景深的概念和影响因素焦长的概念和影响因素第54页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-3 7-3 电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深和焦长一、景深第55页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-3 7-3 电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深和焦长一、景深第56页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-3 7-3 电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深和焦长一、景深在物平面上得到较清晰影像的最近被摄点与最远被摄点间的距离称为景深景深

24、景深景深。Df第57页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-3 7-3 电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深和焦长一、景深透镜物平面允许的轴向偏差定义为透镜的景深。第58页，共60页，编辑于2022年，星期一景深景深 电磁透镜景深是指当成像时，像平面不动（像距不变），在满足成像清晰的前提下，物平面沿轴线前后可移动的距离 当物点位于O处时，电子通过透镜在O处会聚。让像平面位于O处，此时像平面上是一像点；当物点沿轴线渐移到A处时，聚焦点则从O沿轴线移到了A处，由于像平面固定不动，此时位于O处的像平面上逐渐由像点变成一个散焦斑。如果衍射效应是决定电磁透镜分辨率的控制因素，那么散焦斑半径R0折算到物平面上的尺寸只要不大于r0，像平面上就能成一幅清晰的像。轴线上AB两点间的距离就是景深Df。由图7-9的几何关系可推导出景深的计算公式为：第59页，共60页，编辑于2022年，星期一 7-3 7-3 电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深和焦长二、焦长透镜像平面允许的轴向偏差定义为透镜的焦长。一般电磁透镜的=10-2-10-3rad，透镜分辨本领1 nm，假如放大倍数为200倍，则焦长为8 mm对于多级电磁透镜组成的电子显微镜而言，焦长可能超过10-20cm。第60页，共60页，编辑于2022年，星期一