7透射电镜.ppt
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1、透射电镜的工作透射电镜的工作原理及使用原理及使用2012Max Knoll(1897-1969)Ernst Ruska(1906-1988)电子显微镜的分辨率可以达到纳米级(10-9m)。可以用来观察很多在可见光下看不见的物体,例如病毒。1938年,德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微镜(TEM)。超小型台式透射电镜(低压桌上型透射电镜超小型台式透射电镜(低压桌上型透射电镜)最高电压最高电压只有只有5KV v 透射电子显微镜(透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)在原理上基本模拟了光学显微镜的光
2、在原理上基本模拟了光学显微镜的光路设计。路设计。一般光学显微镜放大倍数在数十倍到一般光学显微镜放大倍数在数十倍到数百倍,特殊可到数千倍。而透射电镜的数百倍,特殊可到数千倍。而透射电镜的放大倍数在数千倍至一百万倍之间,有些放大倍数在数千倍至一百万倍之间,有些甚至可达数百万倍或千万倍。甚至可达数百万倍或千万倍。光学显微镜和透射电镜路图比较光学显微镜和透射电镜路图比较光源中间象物镜试样聚光镜目镜毛玻璃电子枪聚光镜试样物镜中间象投影镜观察屏照相底板照相底板透射电镜透射电镜电子光学系统(镜筒)电子光学系统(镜筒)真空系统真空系统电源与控制系统电源与控制系统照明部分照明部分成像部分成像部分 观察记录部分观
3、察记录部分电子枪电子枪+聚光镜聚光镜试样室试样室物镜物镜中间镜中间镜投影镜投影镜 光阑光阑M总总M物物M中中M投投荧光屏荧光屏照相机照相机CCD相机相机阴极阳极栅极机械泵机械泵 油扩散泵油扩散泵 真空管道真空管道等等电子枪电子枪+聚光镜聚光镜阴极阳极栅极照明部分照明部分电子枪电子枪+聚光镜聚光镜阴极阳极栅极透射电镜剖面示意图透射电镜剖面示意图1.电子光学系统电子光学系统(照明部分、成像部分观察记录部分照明部分、成像部分观察记录部分)1.1照明部分照明部分 阴极、阳极和栅极决定着电子发射的数目及其动能,因此,人阴极、阳极和栅极决定着电子发射的数目及其动能,因此,人们习惯上把它们通称为们习惯上把它
4、们通称为“电子枪电子枪”。照明部分照明部分电子枪电子枪+聚光镜聚光镜阴极阴极:又称灯丝,电子的发射极,一般是由:又称灯丝,电子的发射极,一般是由0.030.1毫米的钨丝作毫米的钨丝作 成成V或或Y形状。形状。阳极阳极:电子的加速引出极,加速从阴极发射出的电子。:电子的加速引出极,加速从阴极发射出的电子。栅极栅极:电子注形状的限制极,会聚电子束;控制电子束电流大小,:电子注形状的限制极,会聚电子束;控制电子束电流大小,调节像的亮度。调节像的亮度。阴极(接负高压)阴极(接负高压)控制极(比阴极控制极(比阴极负负1001000伏)伏)阳极阳极电子束电子束聚光镜聚光镜试样试样照明部分示意图照明部分示意
5、图聚光镜聚光镜:用来会聚电子枪射出的电子束,以最小的:用来会聚电子枪射出的电子束,以最小的损失照明样品,调节照明强度、孔径半角和束斑大损失照明样品,调节照明强度、孔径半角和束斑大小。小。v 一般电镜至少采用一般电镜至少采用双聚光镜双聚光镜,对于较新的电镜,对于较新的电镜,很多采用二聚光镜加一个很多采用二聚光镜加一个minimini聚光镜的模式;甚至聚光镜的模式;甚至有采用三聚光镜加一个有采用三聚光镜加一个minimini聚光镜的情况。聚光镜的情况。当采用双聚光镜时,第一聚光镜一般是短焦距强当采用双聚光镜时,第一聚光镜一般是短焦距强磁透镜,作用是将电子枪得到的光斑尽量缩小,第磁透镜,作用是将电子
6、枪得到的光斑尽量缩小,第二聚光镜是长焦距弱透镜,它将第一聚光镜得到的二聚光镜是长焦距弱透镜,它将第一聚光镜得到的光源会聚到试样上,一般来说,该透镜对光源起放光源会聚到试样上,一般来说,该透镜对光源起放大作用。大作用。v采用双聚光镜的优点在于:采用双聚光镜的优点在于:1.1.可以通过改变第一聚光镜的电流,选择所需要的光斑尺寸;可以通过改变第一聚光镜的电流,选择所需要的光斑尺寸;v2.2.可以减小试样的照射面积,减少试样的温度;可以减小试样的照射面积,减少试样的温度;v3.3.观察时可以通过改变第二聚光镜电流,改变试样的照射面观察时可以通过改变第二聚光镜电流,改变试样的照射面积;积;v4.4.由于
7、第二聚光镜为弱透镜,增加了聚光镜和样品之间的距由于第二聚光镜为弱透镜,增加了聚光镜和样品之间的距离,有利于安装聚光镜光阑和束偏转线圈等附件。离,有利于安装聚光镜光阑和束偏转线圈等附件。51.电电详细了解电子详细了解电子枪(灯丝)枪(灯丝)v 一般电子枪的发射原理与普通照明用白炙灯的发光原理基一般电子枪的发射原理与普通照明用白炙灯的发光原理基本相同,即本相同,即通过加热通过加热来使整个枪体来来使整个枪体来发射电子发射电子。v 电子枪电子枪(灯丝灯丝):目前常用的种类计有三种,钨目前常用的种类计有三种,钨(W)灯丝、六灯丝、六硼化镧硼化镧(LaB6)灯丝、场发射灯丝、场发射(Field Emiss
8、ion)灯丝,不同的灯灯丝,不同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差异。异。钨灯丝比较便宜并对真空要求较低,六硼化镧灯丝发射效钨灯丝比较便宜并对真空要求较低,六硼化镧灯丝发射效率要高很多,其电流强度大约比前者高一个量级。率要高很多,其电流强度大约比前者高一个量级。v 钨钨(W)(W)灯丝和六硼化镧灯丝和六硼化镧(LaB6)(LaB6)灯丝称为热阴极电子枪,是灯丝称为热阴极电子枪,是利用高温使电子具有足够的能量去克服电子枪材料的功函数利用高温使电子具有足够的能量去克服电子枪材料的功函数(work function)(wo
9、rk function)能障而逃离。对发射电流密度有重大影响能障而逃离。对发射电流密度有重大影响的变量是温度和功函数,的变量是温度和功函数,v 但因操作电子枪时均希望能以最低的温度来操作,以减但因操作电子枪时均希望能以最低的温度来操作,以减少材料的挥发,所以在操作温度不提高的状况下,就需采用少材料的挥发,所以在操作温度不提高的状况下,就需采用低功函数的材料来提高发射电流密度。低功函数的材料来提高发射电流密度。钨钨(W)灯丝灯丝六硼化镧六硼化镧(LaB6)灯丝灯丝灯丝组件示意图灯丝组件示意图a 灯丝架灯丝架 b 灯丝类型灯丝类型v功函数功函数v功函数功函数(work function)又称功函、
10、逸出功,在又称功函、逸出功,在固体物理中被定义成:把一个固体物理中被定义成:把一个电子电子从从固体固体内部刚刚内部刚刚移到此物体表面所需的最少的移到此物体表面所需的最少的能量能量。功函数的大小。功函数的大小通常大概是金属自由原子通常大概是金属自由原子电离能电离能的二分之一。的二分之一。W 4.55eV La 3.50eV B 4.45eVv价钱最便宜使用最普遍的是钨灯丝价钱最便宜使用最普遍的是钨灯丝,电子能量散布,电子能量散布为为 2 eV,钨的功函数约为,钨的功函数约为4.55eV。钨灯丝,直径约。钨灯丝,直径约100m,弯曲成,弯曲成 V形的细线,操作温度约形的细线,操作温度约2700K,
11、电流密度为电流密度为1.75A/cm2,在使用中灯丝的直径随着,在使用中灯丝的直径随着钨丝的蒸发变小,钨丝的蒸发变小,使用寿命约为使用寿命约为4080小时小时。v六硼化镧六硼化镧(LaB6)灯丝的功函数为灯丝的功函数为2.4eV,较钨丝为,较钨丝为低,因此同样的电流密度,使用低,因此同样的电流密度,使用 LaB6只要在只要在1500K即可达到,而且亮度更高,因此使用寿命便比钨丝即可达到,而且亮度更高,因此使用寿命便比钨丝高出许多,电子高出许多,电子 能量散布为能量散布为 1 eV,比钨丝要好。,比钨丝要好。但因但因LaB6在加热时活性很强,所以必须在较好的真在加热时活性很强,所以必须在较好的真
12、空环境下操作,因此仪器的购置费用较高。空环境下操作,因此仪器的购置费用较高。v场发射式电子枪则比钨灯丝和六硼化镧灯丝的亮度又分别高出场发射式电子枪则比钨灯丝和六硼化镧灯丝的亮度又分别高出 10-100 倍,倍,同时电子能量散布仅为同时电子能量散布仅为 0.2-0.3 eV,所以目前市,所以目前市售的高分辨率扫描式电子显微镜都采用场发射式电子枪,其分辨售的高分辨率扫描式电子显微镜都采用场发射式电子枪,其分辨率可高达率可高达 1nm 以下。以下。场发射电子枪可细分成三种场发射电子枪可细分成三种:冷场发射式冷场发射式(cold field emission,FE),热场发,热场发 射式射式(ther
13、mal field emission,TF),及萧基发射式,及萧基发射式(Schottky emission,SE)当在真空中的金属表面受到当在真空中的金属表面受到108V/cm大小的电子加速电场时,会大小的电子加速电场时,会有可观数量的电子发射出来,此过程叫做场发射有可观数量的电子发射出来,此过程叫做场发射,其原理是高电,其原理是高电场使电子的电位障碍产生场使电子的电位障碍产生Schottky效应,亦即使能障宽度变窄,效应,亦即使能障宽度变窄,高度变低,因此电子可直接高度变低,因此电子可直接穿隧穿隧通过此狭窄能障并离开通过此狭窄能障并离开 阴极。场发射电子系从很尖锐的阴极尖端所发射出来,因此
14、可得阴极。场发射电子系从很尖锐的阴极尖端所发射出来,因此可得极细而又具高电流密极细而又具高电流密 度的电子束,其亮度可达热游离电子枪的数度的电子束,其亮度可达热游离电子枪的数百倍,或甚至千倍。百倍,或甚至千倍。v场发射电子枪没有栅极,由阴极和两个阳极构成。场发射电子枪没有栅极,由阴极和两个阳极构成。第一个阳极主要使电子发射,第二个阳极使电子加第一个阳极主要使电子发射,第二个阳极使电子加速和会聚。所选用的阴极材料必需是高强度材料,速和会聚。所选用的阴极材料必需是高强度材料,以能承受高电场所加诸在阴以能承受高电场所加诸在阴 极尖端的高机械应力,极尖端的高机械应力,钨即因高强度而成为较佳的阴极材料,
15、一般采用的钨即因高强度而成为较佳的阴极材料,一般采用的是单晶钨,但现在有采用六硼化镧是单晶钨,但现在有采用六硼化镧(LaB6)的趋势。的趋势。下一代场发射电子枪的材料极有可能是碳纳米管。下一代场发射电子枪的材料极有可能是碳纳米管。v场发射放大倍率由场发射放大倍率由25倍到倍到650000倍,在使用加速电倍,在使用加速电压压15kV时,分辨率可达到时,分辨率可达到1nm,加速电压,加速电压1kV时,时,分辨率可达到分辨率可达到2.2nm。一般钨丝型的扫描式电子显。一般钨丝型的扫描式电子显微镜仪器上的放大倍率可到微镜仪器上的放大倍率可到200000倍,实际操作时,倍,实际操作时,大部份均在大部份均
16、在20000倍时影像便不清楚了。倍时影像便不清楚了。v冷场发射式最大的优点为电子束直径最小,亮度最高,因此影像分辨率冷场发射式最大的优点为电子束直径最小,亮度最高,因此影像分辨率最优。能量散布最小,故能改善在低电压操作的效果。冷场发射式电子最优。能量散布最小,故能改善在低电压操作的效果。冷场发射式电子枪必需在枪必需在10-10 torr的真空度下操的真空度下操 作,虽然如此,还是需要定时短暂加作,虽然如此,还是需要定时短暂加热针尖至热针尖至2500K(此过程叫做此过程叫做flashing),以去除所吸附的气体原子。它的,以去除所吸附的气体原子。它的另一缺点是发射的总电流最小。另一缺点是发射的总
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