现代材料分析方法第七章电子光学基础精品文稿.ppt
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1、现代材料分析方法第七章电子光学基础第1页,本讲稿共36页主要要求:主要要求:1)1)掌握透射电镜分析、扫描电镜分析和表面分析技术及其在材料研究领域的应用;掌握透射电镜分析、扫描电镜分析和表面分析技术及其在材料研究领域的应用;2 2)了解电子与物质的交互作用以及电磁透镜分辨率的影响因素;)了解电子与物质的交互作用以及电磁透镜分辨率的影响因素;3 3)了了解解透透射射电电镜镜的的基基本本结结构构和和工工作作原原理理,掌掌握握电电子子衍衍射射分分析析及及衍衍射射普普标标定定、薄薄膜膜样样品品的的制备及其透射电子显微分析;制备及其透射电子显微分析;4 4)了了解解扫扫描描电电镜镜的的基基本本结结构构及
2、及其其工工作作原原理理,掌掌握握原原子子序序数数衬衬度度、表表面面形形貌貌衬衬度度及及其其在在材材料领域的应用;了解波谱仪、能谱仪的结构及工作原理,初步掌握电子探针分析技术;料领域的应用;了解波谱仪、能谱仪的结构及工作原理,初步掌握电子探针分析技术;5 5)对表面成分分析技术有初步了解;)对表面成分分析技术有初步了解;6 6)了解电子显微技术的新进展及实验方法的选择;)了解电子显微技术的新进展及实验方法的选择;参考书:参考书:1 1)周周玉玉,武武高高辉辉 编编著著。材材料料分分析析测测试试技技术术材材料料X X射射线线与与电电子子显显微微分分析析 哈尔滨工业大学出版社。哈尔滨工业大学出版社。
3、19981998版版2 2)常常铁铁军军,祁祁欣欣 主主编编。材材料料近近代代分分析析测测试试方方法法 哈哈尔尔滨滨工工业业大大学学出出版版社;社;3 3)黄孝瑛)黄孝瑛 编著。编著。透射电子显微学透射电子显微学 上海科学技术出版社。上海科学技术出版社。19871987版版4 4)进进藤藤 大大辅辅,及及川川 哲哲夫夫 合合著著.材材料料评评价价的的分分析析电电子子显显微微方方法法 冶冶金金工工业业出版社。出版社。20012001年版年版第2页,本讲稿共36页 第七章第七章 电子光学基础电子光学基础引言 7-1 电子波与电磁透镜7-2 电磁透镜的像差和分辨本领7-3电磁透镜的景深和焦长第3页,
4、本讲稿共36页引言 眼眼睛睛是是人人类类认认识识客客观观世世界界的的第第一一架架“光光学学仪仪器器”。但但它它的的能能力力是是有有限限的的,如如果果两两个个细细小小物物体体间间的的距距离离小小于于0.1mm0.1mm时,眼睛就无法把它们分开。时,眼睛就无法把它们分开。光光学学显显微微镜镜的的发发明明为为人人类类认认识识微微观观世世界界提提供供了了重重要要的的工工具具。随随着着科科学学技技术术的的发发展展,光光学学显显微微镜镜因因其其有有限限的的分分辨辨本领而难以满足许多微观分析的需求。本领而难以满足许多微观分析的需求。上上世世纪纪3030年年代代后后,电电子子显显微微镜镜的的发发明明将将分分辨
5、辨本本领领提提高高到到纳纳米米量量级级,同同时时也也将将显显微微镜镜的的功功能能由由单单一一的的形形貌貌观观察察扩扩展展到到集集形形貌貌观观察察、晶晶体体结结构构、成成分分分分析析等等于于一一体体。人类认识微观世界的能力从此有了长足的发展。人类认识微观世界的能力从此有了长足的发展。第4页,本讲稿共36页7-1 电子波与电磁透镜光学显微镜的分辨极限电子波的波长电磁透镜第5页,本讲稿共36页一、光学显微镜的分辨率一、光学显微镜的分辨率 由由于于光光波波的的波波动动性性,使使得得由由透透镜镜各各部部分分折折射射到到像像平平面面上上的的像像点点及及其其周周围围区区域域的的光光波波发发生生相相互互干干涉
6、涉作作用用,产产生生衍衍射射效效应应。一一个个理理想想的的物物点点,经经过过透透镜镜成成像像时时,由由于于衍衍射射效效应应,在在像像平平面面上上形形成成的的不不再再是是一一个个像像点点,而而是是一一个个具具有有一一定定尺尺寸寸的的中中央央亮亮斑斑和和周围明暗相间的圆环所构成的周围明暗相间的圆环所构成的AiryAiry斑。如图斑。如图1-11-1所示。所示。测测量量结结果果表表明明AiryAiry斑斑的的强强度度大大约约84%84%集集中中在在中中心心亮亮斑斑上上,其其余余分分布布在在周周围围的的亮亮环环上上。由由于于周周围围亮亮环环的的强强度度比比较较低低,一一般般肉肉眼眼不不易易分分辨辨,只
7、只能能看看到到中中心心亮亮斑斑。因因此此通通常常以以AiryAiry斑斑的的第第一一暗暗环环的的半半径径来来衡衡量量其其大大小小。根根据据衍衍射射理理论论推推导导,点点光光源源通通过过透透镜镜产产生生的的AiryAiry斑斑半半径径R R0 0的的表达式为:表达式为:(1-11-1)第6页,本讲稿共36页图图1-1 1-1 两个电光源成像时形成的两个电光源成像时形成的AiryAiry斑斑(a)Airy(a)Airy斑;斑;(b)(b)两个两个AiryAiry斑靠近到刚好能分开的临界距离是强度的叠斑靠近到刚好能分开的临界距离是强度的叠加加第7页,本讲稿共36页通通常常把把两两个个AiryAiry
8、斑斑中中心心间间距距等等于于AiryAiry斑斑半半径径时时,物物平平面面上上相相应应的的两两个个物物点点间间距距(rr0 0)定定义义为为透透镜镜能能分分辨辨的的最最小小间间距距,即即透透镜分辨率(也称分辨本领)。由式镜分辨率(也称分辨本领)。由式1-11-1得:得:即即对于光学透镜,当对于光学透镜,当n nsinsin做到最大时(做到最大时(n1.5n1.5,70-7570-75),),式(式(1-21-2)简化为:)简化为:(1-31-3)(1-21-2)透镜分辨率透镜分辨率第8页,本讲稿共36页有效放大倍数有效放大倍数上上式式说说明明,光光学学透透镜镜的的分分辨辨本本领领主主要要取取决
9、决于于照照明明源源的的波波长长。半半波波长长是是光光学学显显微微镜镜分分辨辨率率的的理理论论极极限限。可可见见光光的的最最短短波波长长是是390nm390nm,也就是说光学显微镜的最高分辨率是,也就是说光学显微镜的最高分辨率是200nm200nm。一一般般地地,人人眼眼的的分分辨辨本本领领是是大大约约0.2mm0.2mm,光光学学显显微微镜镜的的最最大大分分辨辨率率大大约约是是0.2m0.2m。把把0.2m0.2m放放大大到到0.2mm0.2mm让让人人眼眼能能分分辨辨的的放放大大倍倍数数是是10001000倍倍。这这个个放放大大倍倍数数称称之之为为有有效效放放大大倍倍数数。光光学学显显微微镜
10、镜的分辨率在的分辨率在0.2m0.2m时,其有效放大倍数是时,其有效放大倍数是10001000倍。倍。光光学学显显微微镜镜的的放放大大倍倍数数可可以以做做的的更更高高,但但是是,高高出出的的部部分分对对提提高高分分辨辨率率没没有有贡贡献献,仅仅仅仅是是让让人人眼眼观观察察更更舒舒服服而而已已。所所以以光光学学显显微微镜的放大倍数一般最高在镜的放大倍数一般最高在1000-15001000-1500之间。之间。第9页,本讲稿共36页如何提高显微镜的分辨率如何提高显微镜的分辨率根根据据式式(1-31-3),要要想想提提高高显显微微镜镜的的分分辨辨率率,关关键键是是降降低低照明光源的波长。照明光源的波
11、长。顺顺着着电电磁磁波波谱谱朝朝短短波波长长方方向向寻寻找找,紫紫外外光光的的波波长长在在13-390nm13-390nm之之间间,比比可可见见光光短短多多了了。但但是是大大多多数数物物质质都都强强烈烈地地吸吸收收紫紫外外光光,因此紫外光难以作为照明光源。因此紫外光难以作为照明光源。更更短短的的波波长长是是X X射射线线。但但是是,迄迄今今为为止止还还没没有有找找到到能能使使X X射射线线改改变变方方向向、发发生生折折射射和和聚聚焦焦成成象象的的物物质质,也也就就是是说说还还没没有有X X射射线线的的透透镜镜存在。因此存在。因此X 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
12、源。除除了了电电磁磁波波谱谱外外,在在物物质质波波中中,电电子子波波不不仅仅具具有有短短波波长长,而而且且存存在在使使之之发发生生折折射射聚聚焦焦的的物物质质。所所以以电电子子波波可可以以作作为为照照明明光源,由此形成电子显微镜。光源,由此形成电子显微镜。第10页,本讲稿共36页根根据据德德布布罗罗意意(de de BroglieBroglie)的的观观点点,运运动动的的电电子子除除了了具具有有粒粒子子性性外外,还还具具有有波波动动性性。这这一一点点上上和和可可见见光光相相似似。电电子子波波的的波波长长取取决于电子运动的速度和质量,即决于电子运动的速度和质量,即 (1-41-4)式式中中,h
13、h为为普普郎郎克克常常数数:h=6.62610h=6.62610-34-34J.sJ.s;m m为为电电子子质质量量;v v为电子运动速度,它和加速电压为电子运动速度,它和加速电压U U之间存在如下关系:之间存在如下关系:即即 (1-51-5)式中式中e e为电子所带电荷,为电子所带电荷,e=1.610e=1.610-19-19C C。将(将(1-51-5)式和()式和(1-41-4)式整理得:)式整理得:(1-61-6)二、二、电子波波长电子波波长第11页,本讲稿共36页如如果果电电子子速速度度较较低低,其其质质量量和和静静止止质质量量相相近近,即即mmmm0.0.如如果果加加速速电电压压很
14、很高高,使使电电子子速速度度极极高高,则则必必须须经经过过相相对对论论校校正正,此此时:时:式中式中 c c光速光速 表表1-11-1是根据上式计算出的不同加速电压下电子波的波长。是根据上式计算出的不同加速电压下电子波的波长。可可见见光光的的波波长长在在390-760nm390-760nm之之间间,从从计计算算出出的的电电子子波波波波长长可可以以看看出出,在在常常用用的的100-200kV100-200kV加加速速电电压压下下,电电子子波波的的波波长长要要比比可可见光小见光小5 5个数量级。个数量级。(1-71-7)第12页,本讲稿共36页加速加速电压电压/kV电电子波波子波波长长/nm加速加
15、速电压电压/kV电电子波波子波波长长/nm10038840000601200274500005363002246000048740019480000418500173100000370100012220000025120000859500000142300006981000000087表表 1-1 1-1 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说明:经相对论校正说明:经相对论校正第13页,本讲稿共36页三、三、电磁透镜电磁透镜电子波和光波不同,不能通过玻璃透镜会聚成像。但是电子波和光波不同,不能通过玻璃透镜会聚成像。但是轴对称的非均匀电场和磁场则可以让电子束折射,从而轴对称的非均
16、匀电场和磁场则可以让电子束折射,从而产生电子束的会聚与发散,达到成像的目的。人们把用产生电子束的会聚与发散,达到成像的目的。人们把用静电场构成的透镜称之静电场构成的透镜称之“静电透镜静电透镜”;把电磁线圈产生;把电磁线圈产生的磁场所构成的透镜称之的磁场所构成的透镜称之“电磁透镜电磁透镜”。电子显微镜中。电子显微镜中用磁场来使电子波聚焦成像的装置就是电磁透镜。用磁场来使电子波聚焦成像的装置就是电磁透镜。电子在磁场中运动,当电子运动方向与磁感应强度方向不平电子在磁场中运动,当电子运动方向与磁感应强度方向不平行时,将产生一个与运动方向垂直的力(洛仑兹力)使电子行时,将产生一个与运动方向垂直的力(洛仑
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- 现代 材料 分析 方法 第七 电子光学 基础 精品 文稿
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