【正文】 掃描電子顯微鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第１章　電子光學(xué)基礎(chǔ) 電子波與電磁透鏡 光學(xué)顯微鏡的分辨率光學(xué)透鏡成像的情況見下圖。表示樣品上的兩個(gè)物點(diǎn)S１、S２經(jīng)過物鏡在像平面形成像s1’、s2’的光路。由于衍射效應(yīng)的作用,點(diǎn)光源在像平面上得到的并不是一個(gè)點(diǎn),而是一個(gè)中心最亮周圍帶有明暗相間同心圓的圓斑,即Airy斑。即SS2成像后在像平面上會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)Airy斑S1’、S2’Airy斑的光強(qiáng)分布特征：84％集中在中央亮斑上，其余由內(nèi)向外順次遞減，分散在第第2 188。188。一般將第一暗環(huán)半徑定為Airy斑的半徑。如果兩個(gè)物點(diǎn)靠近，相應(yīng)的兩個(gè)Airy斑也逐漸重疊．當(dāng)斑中心間距等于Airy 斑半徑時(shí)，強(qiáng)度峰谷值相差19，人眼可以分辨，即Rayleigh準(zhǔn)則Rayleigh準(zhǔn)則： 當(dāng)一點(diǎn)光源衍射圖樣的中央最亮處剛好和另一個(gè)點(diǎn)的第一個(gè)最暗處重合時(shí)，兩衍射斑中心強(qiáng)度約為中央的80％，人眼剛可以分辨，這一條件稱為Rayleigh準(zhǔn)則。此時(shí)的光點(diǎn)距離Dr0稱為分辨率，可表達(dá)如下：式中，l－光的波長；n－折射系數(shù)；a－孔徑半角；n sina－數(shù)值孔徑。上式表明，分辨率的最小距離與波長成正比。對(duì)玻璃透鏡，取最大孔徑半角a = 7075176。，在物方介質(zhì)為油的情況下，n 187。 ，則其數(shù)值孔徑n sina 187。 ，上式可簡化為：可見，半波長是光學(xué)玻璃透鏡可分辨本領(lǐng)的理論極限。可見光的波長在390760nm，其極限分辨率為200nm。于是，人們用很長時(shí)間尋找波長短，又能聚焦成像的光波。X射線和γ射線雖然波長短，但不能聚焦。 電子光學(xué)的發(fā)展：u 1924年De Broglie證明了快速粒子的輻射，并發(fā)現(xiàn)了一種高速運(yùn)動(dòng)的電子波，比可見光綠光波長短10萬倍，．v 1926年，Busch提出了用軸對(duì)稱的電場和磁場對(duì)電子束進(jìn)行聚集，發(fā)展成電磁透鏡．v 19311933年，Ruska 等設(shè)計(jì)并制造了第一臺(tái)電子顯微鏡．x 經(jīng)過5060年的發(fā)展，目前，電鏡的分辨率達(dá)到Ａ數(shù)量級(jí)，放大倍數(shù)達(dá)數(shù)百萬倍． 電子顯微鏡的照明光源是電子射線。與可見光相似，運(yùn)動(dòng)的電子也兼有波動(dòng)性和微粒性，即所謂波、粒二象性。根據(jù)De　Broglie的觀點(diǎn)，勻速直線運(yùn)動(dòng)著的電子必定和一個(gè)波動(dòng)相對(duì)應(yīng)，其波長取決于電子運(yùn)動(dòng)的速度和質(zhì)量：（1－1）式中 h = 1034 為普朗克常數(shù) m －電子質(zhì)量 V －電子速度 如何獲得電子？一般，電鏡的光源是一個(gè)能發(fā)射電子，并使其加速的靜電裝置稱為電子槍。加速電場的極間電壓稱為加速電壓，是電鏡的一個(gè)重要性能指標(biāo)。 加速電子的動(dòng)能與電場加速電壓的關(guān)系為：（1－2）式中 e＝1019C 為電子電荷；　　 m為電子質(zhì)量，電子靜止質(zhì)量 m0 = 1031kg　　 V為加速電壓由（1—1）和（1—2）可得（13）① 若電子速度較低，則其質(zhì)量和靜止質(zhì)量相近，即m 187。 m0 則（14）② 若加速電壓很高，使電子具有極高速度，則經(jīng)過相對(duì)論修正，有（15）式中 C = 108 m/s 為光速并有 ev = mc2－m0c2 (1—6)整理以上各式得（17）不同加速電壓下?lián)?7）計(jì)算的電子波長綜上所述： u 提高加速電壓，縮短電子波長，提高電鏡分辨率；v 加速電壓越高，對(duì)試樣的穿透能力越大，可放寬對(duì)樣品 的減薄要求。w 如用更厚樣品，更接近樣品實(shí)際情況。x 電子波長與可見光相比，相差105量級(jí)。 電磁透鏡可見光用玻璃透鏡聚焦。電子束在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的靜電場或磁場中可起到聚焦的作用。電子束的聚焦裝置是電子透鏡。相應(yīng)的分為：靜電透鏡和磁透鏡。磁透鏡 １．電磁透鏡的聚焦原理透射電子顯微鏡中用磁場來使電子波聚焦成像的裝置是電磁透鏡。電磁透鏡實(shí)質(zhì)是一個(gè)通電的短線圈，它能造成一種軸對(duì)稱的分布磁場。正電荷在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到磁場的作用力，即洛侖磁力。對(duì)正電荷在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到磁場的作用力為：式中，q運(yùn)動(dòng)正電荷 v正電荷運(yùn)動(dòng)速度 B正電荷所在位置磁感應(yīng)強(qiáng)度，與磁場強(qiáng)度H的關(guān)系：B = mH F力的方向垂直于電荷運(yùn)動(dòng)速度和磁感應(yīng)強(qiáng)度所決定的平面，按矢量叉積V180。B的右手法則來確定。對(duì)電子而言，其帶負(fù)電荷，F(xiàn)方向由B180。V決定，其運(yùn)動(dòng)方式有如下幾種情形：u V//B，fe = 0, 電子在磁場中不受磁場力，運(yùn)動(dòng)速度大小和方向不變；v V┴B，fe = fmax，電子在與磁場垂直的平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)；w V與B成θ角，電子在磁場內(nèi)作螺旋運(yùn)動(dòng)；x 在軸對(duì)稱的磁場中，電子在磁場內(nèi)作螺旋近軸運(yùn)動(dòng)。電磁透鏡實(shí)質(zhì)是一個(gè)通電的短線圈，它能造成一種軸對(duì)稱的不均勻分布磁場。電磁透鏡的聚焦原理如圖所示。（a）磁力線上任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B可分解為平行于透鏡主軸的分量BZ和垂直于透鏡主軸的分量Br；（b）電子所受的切向力Ft和徑向力Fr。（c）電子作圓錐螺旋近軸運(yùn)動(dòng)；（d）電子束通過磁透鏡的聚焦示意圖；（e）光學(xué)玻璃凸透鏡對(duì)平行于軸線入射的平行光的聚焦原理示意圖。2．電磁透鏡的結(jié)構(gòu)簡單說，電磁透鏡實(shí)質(zhì)是一個(gè)通電的短線圈，它能造成一種軸對(duì)稱的分布磁場。實(shí)際上的電磁透鏡要求磁場集中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上必須考慮。1) 帶有軟磁鐵殼的磁透鏡如圖2所示，導(dǎo)線外圍的磁力線都在鐵殼中通過，由于在鐵殼內(nèi)側(cè)開一環(huán)狀狹縫，從而可以減小磁場的廣延度，使大量磁力線集中在狹縫附近的狹小區(qū)域，增強(qiáng)磁場強(qiáng)度。其磁場的等磁位面的形狀類似于光學(xué)透鏡的形狀。2)帶有極靴的磁透鏡為了進(jìn)一步縮小磁場的軸向?qū)挾龋诃h(huán)狀間隙兩邊加上一對(duì)頂端呈圓錐狀的極靴，其目的就是將電磁線圈的磁場在軸向的廣延度降低，可達(dá)到3mm范圍。其結(jié)構(gòu)如圖所示 。極靴由高導(dǎo)磁材料制成。裸線圈、帶鐵殼和極靴后透鏡磁感應(yīng)強(qiáng)度分布見圖（c）3．電磁透鏡的光學(xué)性質(zhì)1）電磁透鏡物距、像距和焦距三者間的關(guān)系與光學(xué)玻璃透鏡相似，滿足u 物距；v 像距；f 焦距放大倍數(shù)M2）電磁透鏡的焦距可用下式近似計(jì)算R—透鏡半徑；A—與透鏡結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例常數(shù)；V0—電子加速電壓 3）電磁透鏡具有磁轉(zhuǎn)角因?yàn)殡娮邮陔娮油哥R磁場中的運(yùn)動(dòng)是圓錐螺旋近軸運(yùn)動(dòng)。 電磁透鏡的分辨率已知光學(xué)衍射確定的分辯率為 (n=, α=7075176。)但實(shí)際電鏡的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到上述指標(biāo)，為什么呢？這是因?yàn)殡姶磐哥R存在著像差：下面分別討論球差、像散和色差的產(chǎn)生的原因。 球差球差即球面像差，是磁透鏡中心區(qū)和邊沿區(qū)對(duì)電子的折射能力不同引起的，其中離開透鏡主軸較遠(yuǎn)的電子比主軸附近的電子折射程度過大。如圖所示，物點(diǎn)P通過透鏡成像時(shí)，電子就不會(huì)聚焦在同一焦點(diǎn)上，而是形成一個(gè)散焦斑，即像平面在遠(yuǎn)軸電子的焦點(diǎn)和近軸電子的焦點(diǎn)之間移動(dòng)，就可以得到一個(gè)最小的散焦園斑。若設(shè)最小散焦斑的半徑為RS，透鏡的放大倍數(shù)為M，其折算到物平面上，其大小為顯然，物平面上兩點(diǎn)的距離2Drs時(shí)，則該透鏡不能分辨，即在像平面上得到一個(gè)點(diǎn)，因此，Drs表示球差的大小。CS—球差系數(shù)，通常相當(dāng)于焦距，13mm.a電磁透鏡的孔徑半角。上式可以看出，減小球差可以通過減小CS 和a來實(shí)現(xiàn)，用小孔徑成像時(shí)，可使球差明顯減小。 像散像散是由于電磁透鏡的周向磁場非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱引起。原 因：216。 極靴內(nèi)孔不園216。 上下極靴不同軸216。 極靴材質(zhì)磁性不均勻216。 極靴污染透鏡磁場的這種非旋轉(zhuǎn)性對(duì)稱使它在不同方向上的聚焦能力出現(xiàn)差別，物點(diǎn)P通過透鏡后不能在像平面上聚焦成一點(diǎn)，而是形成一散焦斑，如圖所示。與球差的處理情況相似，若設(shè)最小散焦斑的半徑為RA，透鏡的放大倍數(shù)為M，其折算到物平面上，其大小為 Δ?A——像散焦距差透鏡制造精度差和極靴、光闌的污染都能導(dǎo)致像散。 可以通過引入一強(qiáng)度和方位都可以調(diào)節(jié)的矯正磁場來進(jìn)行補(bǔ)償。在電鏡中，這個(gè)產(chǎn)生矯正磁場的裝置是消像散器。 色差色差是由入射電子的波長或能量的非單一性造成的。若入射電子的能量出現(xiàn)一定的差別，能量大的電子在距透鏡光心比較遠(yuǎn)的地方聚焦，而能量低的電子在距光心近的地方聚焦，由此產(chǎn)生焦距差。像平面在遠(yuǎn)焦點(diǎn)和近焦點(diǎn)間移動(dòng)時(shí)存在一最小散焦斑RC。如圖所示。把散焦斑的半徑折算到原物面的半徑ΔrC有 CC—色差系數(shù)；DE/E電子束能量變化率，取決于加速電壓的穩(wěn)定性和電子穿過樣品時(shí)發(fā)生非彈性散射的程度穩(wěn)定加速電壓和透鏡電流可減小色差。色差系數(shù)和球差系數(shù)均隨透鏡激磁電流的增大而減小。 電磁透鏡的分辨率電磁透鏡的分辨率主要由衍射效應(yīng)和像差來決定。（1） 已知衍射效應(yīng)對(duì)分辨率的影響 （1）∵ α很小通常102～103rad有 （2）像差對(duì)分辨的影響 球差：像散： 用消像散器 色差： 穩(wěn)定電源 因此，像差決定的分辨率主要是由球差決定的顯然，存在一個(gè)最佳孔徑半角令即 代入（1）得電磁透鏡的分辨率為 電磁透鏡的景深和焦長 景深任何樣品都有一定厚度。理論上，當(dāng)透鏡焦距、像距一定時(shí)，只有一層樣品平面與透鏡的理想物平面相重合，能在像平面上獲得該層平面的理想圖像。偏離理想物平面的物點(diǎn)都存在一定程度的失焦，從而在像平面上產(chǎn)生一個(gè)具有一定尺寸的失焦園斑。 如果失焦園斑尺寸不超過由衍射效應(yīng)和像差引起的散焦斑，那么對(duì)透鏡分辨率不會(huì)產(chǎn)生影響。定義景深是，當(dāng)像平面固定時(shí)(像距不變),能維持物像清晰的范圍內(nèi),允許物平面(樣品)沿透鏡主軸移動(dòng)的最大距離Df。 它與電磁透鏡分辨率Dr0、孔徑半角a之間的關(guān)系取 Δr0=1 nm, a=102～103rad則 Df = 200～200nm 試樣（薄膜）一般厚200～300nm，上述景深范圍可保證樣品整個(gè)厚度范圍內(nèi)各個(gè)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)都清晰可見。 焦長當(dāng)透鏡的焦距、物距一定時(shí)，像平面在一定的軸向距離內(nèi)移動(dòng)，也會(huì)引起失焦，產(chǎn)生失焦園斑。若失焦園斑尺寸不超過透鏡衍射和像差引起的散焦斑大小，則對(duì)透鏡的分辨率沒有影響。定義：固定樣品的條件下（物距不變），象平面沿透鏡主軸移動(dòng)時(shí)仍能保持物像清晰的距離范圍，用DL表示，見圖。透鏡焦長DL與分辨率Dr0 、像點(diǎn)所張的孔徑半角b之間的關(guān)系。若分辨率Δr0， 則 ∵∴取 Δr0=1 nm, α=102rad若 M=200， DL=8 mm若 M=20000，DL=80 cm電磁透鏡的這一特點(diǎn)給電子顯微鏡圖象的照相記錄帶來了極大的方便，只要在熒光屏上圖象聚焦清晰，在熒光屏上或下十幾厘米放置照相底片，所拍得的圖象也是清晰的。習(xí) 題?與可見光有何異同? ，說明電磁透鏡的結(jié)構(gòu)對(duì)聚焦能力的影響。 ?如何來消除和減少像差? ?如何提高電磁透鏡的分辨率？ ?說明電磁透鏡的景深大、焦長長，是什么因素影響的結(jié)果？假設(shè)電磁透鏡沒有像差，也沒有衍射埃利斑，即分辨率極高，此時(shí)它的景深和焦長如何? 第2章　透射電子顯微鏡 透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)與成像原理透射電子顯微鏡是以波長極短的電子束作為照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種高分辨率、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）是其核心，它的光路圖與透射光學(xué)顯微鏡相似，如圖所示，包括： 照明系統(tǒng)① 組成：由電子槍、聚光鏡（2級(jí)）和相應(yīng)的平移對(duì)中、傾斜調(diào)節(jié)裝置組成。② 作用：提供一束亮度高、照明孔徑角小、平行度高、束斑小、束流穩(wěn)定的照明源。為滿足明場和暗場成像需要，照明束可在2176。3176。范圍內(nèi)傾斜。 1. 電子槍電子槍是電鏡的電子源。其作用是發(fā)射并加速電子，并會(huì)聚成交叉點(diǎn)。 目前電子顯微鏡使用的電子源有兩類：u1