电子光学基础在线视频

同学们

大家好

我是计红军老师

来自哈尔滨工业大学（深圳）

现在开始

我和大家一起来学习一下

《现代材料分析方法》

这门课程的透射电子显微分析

这部分内容

相信和材料打交道的同学都会了解

对透射电子显微分析都不陌生

同学们大多听说过透射电镜

Transmission

Electron

Microscope

TEM

它可以实现对样品内部组织形态

和结构的观察与分析

具有原子级别的分辨能力

那同学们可能会有疑问

这是怎么实现的呢？

为此

我们透射电子显微分析的

主要内容从以下5个方面来跟大家讲解

电子光学基础

透射电镜的结构和成像原理

透射电镜的电子像衬度原理

电子衍射以及透射电镜样品的制备

本堂课我们一起来学习

透射电子显微分析

的电子光学基础这部分

电子光学基础的内容

主要包括三个方面

分别是电磁透镜

电磁透镜的像差

以及电磁透镜的景深和焦长

通过之前的课程学习

我们已经知道

为了提高分辨率

电子显微分析使用了

波长更短的电子束作为光源

但是电子波和光波不同

电子不能通过玻璃透镜会聚成像

但是轴对称的非均匀电场

和磁场可以让电子束会聚与发散

达到成像的目的

所以电子显微镜中利用

磁场使电子波聚焦成像

这样的装置称电磁透镜

从右图中可以看到

电子在电磁透镜中的

运动轨迹是一个圆锥螺旋曲线

最后会聚在轴线上的一点

所以电子在电磁透镜中

作螺旋近轴运动

另外

为了增强磁感应强度

电磁透镜通常将线圈置于

一个由软磁材料

制成的具有内环形间隙的壳子里

这种材料主要是纯铁还有低碳钢

接下来

我们详细了解一下

电子在电磁透镜中的运动

首先

电磁透镜的磁力线上

任一点的磁感应强度B

可分解为平行于透镜

主轴的分量Bz和

垂直于透镜主轴的分量Br

电子在磁场中运动

受到洛伦兹力的作用

从而产生切向力Ft和径向力Fr

合力使电子作圆锥螺旋近轴运动

最终使电子束通过磁透镜而聚焦

而对于普通的光学透镜

凸透镜对平行于轴线

入射的平行光聚焦

对于电磁透镜的结构

从图中我们可以看到

短线圈外加铁壳和内加极靴后

可明显改变透镜的磁感应强度分布

这样就可以缩小磁场的轴向宽度

加强对电子束的会聚作用

现在我们已经知道

电磁透镜与静电透镜

都可以作会聚透镜

但是也有一些不同之处

这个表总结了他们的差异性

第一

对于磁透镜

改变电流强度

就能很方便的控制

透镜焦距和放大倍数

而静电透镜需改变很高的加速电压

才可改变焦距和放大倍数

第二

磁透镜没有击穿现象

静电透镜通常需要数万伏电压

常会造成击穿

第三

磁透镜的像差小

而静电透镜的像差较大

正是因为这样的特点

现代所有的透射电镜

除电子光源外都用磁透镜做会聚镜

那么什么是像差呢？

接着我们来讲一下

电磁透镜的像差

对于目前的电磁透镜来说

分辨率还远远没有达到波长的一半

因为透镜的实际分辨本领

与透镜的像差有关

电磁透镜的像差是指

透镜所成的像与理想像在形状

颜色等方面存在差异

包括球差

像散和色差

其中球差和像散又称为几何像差

首先是球差

球差是由于透镜中心区域

和边缘区域对电子的折射能力不同

而形成的

离开透镜主轴较远的电子

比主轴附近的电子

折射程度更大

球差大小公式为

来决定

所以减小球差的途径主要是

减小球差系数和小孔径角成像

右图是球差矫正透射电子显微镜

拍摄的HAADF像

第二是像散

像散是由于透镜磁场的非旋转对称

导致不同方向聚焦能力

出现差别而引起的

像散大小为如图

是电磁透镜

出现椭圆度时造成的焦距差

目前

我们可以通过引入强度和方位

均可调节的矫正磁场来消除像散

第三个是色差

色差由于入射电子波长(或能量)

的非单一性导致

聚焦能力的差别所造成的

色差大小描述为

Cc是色差系数

∆E/E是 电子能量变化率

取决于加速电压的稳定及

电子穿过样品发生非弹性散射的程度

可通过稳定加速电压和

单色器来减小色差

接下来介绍一下

电磁透镜的景深和焦长

景深是透镜物平面允许的轴向偏差

我们知道

当物平面偏离理想位置时

将出现一定程度的失焦

若失焦斑尺寸不大于2Δr0时

对透镜分辨率不产生影响

一般的透射电镜

样品厚度约为200nm

在透镜景深范围内

因而样品各层面都能显示清晰的图像

然后是电磁透镜的焦长

焦长是透镜像平面允许的轴向偏差

通常

像平面在一定的轴向距离内移动

会产生失焦圆斑

若失焦圆斑不超过2Δr0时

则对透镜的分辨率没有影响

所以只要在荧光屏上图像聚焦清晰

在荧光屏下放置照相底片

也均可得到清晰图像

现在我们来看一下

电子与物质相互作用时产生的信号

我们前面已经讲过 当电子入射时

会轰击样品产生各种信号

主要有什么呢 第一

背散射电子

可用作EBSD分析

第二个就是 二次电子

可用作二次电子成像

第三个

特征x射线

可以用作x射线能谱分析

俄歇电子

与特征X射线一样

每种元素都有自己的特征俄歇能谱

阴极荧光

半导体样品在入射电子照射下

产生的电子-空穴对“复合”时

会发射光子

称为阴极荧光

最重要的是透过样品的信号

透射电子

是我们这门课主要利用的电子信号

入射电子穿透样品时

会携带样品的各种信息

用来做透射电子显微分析

最后我们来小结一下

这节课我们的内容

我们主要学习了电子显微镜利用磁场

使电子波聚焦成像

这样的装置称电磁透镜

电子在电磁透镜中做螺旋近轴运动

透镜的实际分辨率

与透镜的像差有关

电磁透镜的像差包括球差

像散和色差

电磁透镜的景深和焦长

给图像的观察和记录带来极大方便

电子与物质相互作用

会产生多种信号

关于透射电镜显微分析

我们先简单介绍这么多

具体内容我们接下来一一介绍

这节课就到这里

同学们下课