【正文】 長焦距 、 可變倍數(shù) (0～ 20倍 )的 弱磁 透鏡。 物鏡 + 1～ 2級中間境 + 1～ 2級投影鏡o 中級 透射電鏡 （三級成像放大系統(tǒng)） 物鏡 + 1級中間境 + 1級投影鏡o 高級 透射電鏡 （多級成像放大系統(tǒng)） 物鏡 + 2級中間境 + 2級投影鏡 l 物鏡（磁透鏡）? 第一級放大鏡； 形成一次電子圖像及電子衍射譜 ? 其分辨率對整個成像系統(tǒng)的分辨率影響最大；? 短焦距 、 高放大 (100倍 )、 低像差 的 強磁 透鏡。第 II聚光鏡 用長焦距弱磁透鏡，調(diào)節(jié)孔徑角和亮度。是電鏡的實際電子源。 熒光屏把電子強度分布轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽鈴姸确植? ——— 圖像 （陰極射線發(fā)光過程）工作過程概括： ① 電子槍發(fā)出電子束 →② 經(jīng)會聚透鏡 會聚 → ③ 照射并 穿透試樣 →④ 經(jīng) 物鏡 成像 → ⑤ 中間鏡投影鏡放大 → ⑥ 電子顯微像 (屏或底片 )一、透射電子顯微鏡 （ TEM） 分辨本領(lǐng)高并且能夠作電子衍射（一）透射電鏡的結(jié)構(gòu)l光學(xué)成像系統(tǒng)l真空系統(tǒng)l電氣系統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng) —— 又稱鏡筒1. 照明部分2. 成像放大系統(tǒng)3. 圖像觀察記錄部分4. 樣品臺? 發(fā)叉式鎢絲陰極三級電子槍(1) 電子槍(2) 聚光鏡(1)電子槍 —— 產(chǎn)生電子束? LaB6陰極電子槍? 場發(fā)射電子槍 用于超高壓電鏡（ 1000kV），亮度大，能量分散性小，有利于提高分辨率。 透射出的電子經(jīng)一系列透鏡放大投射到熒光屏上。 透射電子作為成像信號： 電子束與試樣作用，試樣很薄 —— 透射電子 —— 其強度分布與試樣的形貌、組成、結(jié)構(gòu)對應(yīng)。 聚焦電子束作照明光源： 電子槍產(chǎn)生的電子束，經(jīng) 12級聚光鏡會聚后，均勻地照射試樣上的某一待觀察的微小區(qū)域上。 167。216。216。 19391940年，商品 電子顯微鏡問世，進(jìn)入實用階段。 1926年， Busch指出：軸對稱非均勻磁場能使電子波聚焦216。電子顯微鏡的發(fā)展簡史：216。入射電子能量： 能量 ↗， 體積 ↗，但形狀基本不變216。l蒙特一卡洛 電子彈道模擬技術(shù)顯示 216。? 應(yīng)用： SEM和電子探針儀 可得原子序數(shù)不同的元素的定性分布五、相互作用體積與信號產(chǎn)生的深度和廣度l擴(kuò)散： 入射電子射入固體試樣，經(jīng)多次散射后，完全失掉方向性，即各方向散射幾率相等，稱為 ~。 8. 吸收電子? 連接納安表 —— 測試樣吸收電子產(chǎn)生的吸收電流。 若試樣較?。?1020nm） —— 透射電子主要是彈性散射電子 —— 成像比較清晰，電子衍射斑點較明銳 若試樣較厚 （但仍小于穿透深度） —— 透射電子包含大量非彈性散射電子，且能量是變量 —— 由于色差，成像模糊入射電子經(jīng)多次 非彈性 散射后，能量耗盡，不再產(chǎn)生其他效應(yīng)，稱被試樣吸收，這種電子稱吸收電子。 7. 透射電子252。 6. 特征能量損失電子? “等離子激發(fā) ” 后， 損 失了特征能量 ΔEP后的入射 電 子? 應(yīng) 用： TEM 電子能量損失譜 —— 能量分析電子顯微術(shù)“初次 ”電子當(dāng)試樣厚度 小于 入射電子的穿透深度時，入射電子將穿透試樣 ，從另一表面射出，稱為透射電子。? Auger電子僅在表面 1nm層內(nèi)產(chǎn)生? Auger電子能量一般幾十 ~~幾百 eV? 特點及應(yīng)用： Auger電子對表面微量元素有很高的靈敏度，且分析速度快，可進(jìn)行定性分析、定量分析、表面狀態(tài)分析。? 化學(xué)元素有特定波長特征 X 射線 —— 成分分析? 應(yīng)用： SEM（增加 X射線譜儀附件）216。216。 3. 二次電子“二次 ”電子? 級聯(lián)過程? 二次電子信號：在試樣表面 10nm層內(nèi)產(chǎn)生且能克服逸出功的? 電子譜中，探測器只能探測不同能量電子的數(shù)目，而并不能把能量相近的二次電子和背散射電子區(qū)分開。背背背背l 特點： 背散射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù) Z的增大而增大 背散射電子圖像的襯度與成分密切相關(guān) 背散射電子像 —— 元素的定性分布情況l 應(yīng)用： SEM和電子探針儀二次電子是 “單電子激發(fā) ”過程中被入射電子轟出的試樣原子的核外電子。從定義來看，只要是受到試樣散射后， 從試樣表面逸出 的，就統(tǒng)統(tǒng)劃歸為背散射電子，而并不考慮這些電子的散射經(jīng)歷，比如：經(jīng)過多少次碰撞？所發(fā)生的碰撞是彈性的還是非彈性的？最后返回到入射方向的電子能量是否有損失？損失多少？等等 ………背散射電子① 彈性 背散射電子：能量接近或等于 E0， △ E=0② 單次非彈性 背散射電子：能量損失，但只損失 一次， E與 E0相差不多， △ E小③ 多次 非彈性 背散射電子：能量損失，且損失多次， E與E0相差多， △ E大 且隨次數(shù) n不同， △ E不同， E不同（是變量）—— 只關(guān)注方向在背散射電子中， E≈E0的彈性背散射電子最多，其次是 E稍小的單次非彈，多次非彈非常少。經(jīng)歷數(shù)次方向改變后，一部分電子的總散射角 ＞ 90176。從試樣表面逸出 ——— 彈性 背散射 電子② 一部分 的 方向改變小，在試樣中繼續(xù)傳播或從試樣另一面透射（總之沒有從入射面逸出）—— 只關(guān)注能量216。 1. 彈性散射電子“初次 ”電子注意這種電子的涵蓋面 :只要是電子在入射及傳播過程中，發(fā)生的散射過程都是彈性的，能量未改變，就都在此定義范圍內(nèi)。 彈性背散射電子 單次非彈性背散射電子 多次非彈性背散射電子如前所述 “原子核對電子的彈性散射 ” → 產(chǎn)生彈性散射電子，其能量等于或接近入射電子的能量 E0。 二次電子 amp。 彈性背散射電子252。 （ PP112頁 圖 215） 四、電子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種電子信號252。2. 電子束電導(dǎo)3. 電子生伏特高能電子束照射半導(dǎo)體材料，將產(chǎn)生自由載流子，若此時在試樣兩端建立電位差，自由載流子將向異性電極移動，產(chǎn)生附加電導(dǎo)。l自由載流子可進(jìn)一步產(chǎn)生 陰極熒光 、 電子束電導(dǎo)和 電子生伏特效應(yīng)等 。俄歇電子發(fā)射轉(zhuǎn)為晶格振動馳豫過程輻射躍遷非輻射躍遷特征 X射線都具有特征能量可進(jìn)行成分分析當(dāng) 內(nèi)層電子 被入射電子轟擊脫離了原子后，原子處于高度 激發(fā)狀態(tài)，它將 躍遷 回到能量較低狀態(tài) —— 馳豫注意 “躍遷 ” ：指其他較高能級電子填補內(nèi)層空穴，而把能量放出一部分，從而使整個原子的能量降下來。二、內(nèi)層電子激發(fā)后的馳豫過程前面講了電子散射，主要從原子核、核外電子兩方面講述了它們對電子能量和方向改變所起到的作用。l入射電子和晶格的作用可以看作是 電子激發(fā)聲子（或吸收聲子）的碰撞過程。l 入射電子激發(fā)等離子后就要損失能量 ΔEp, ΔEp是固定值，且隨不同元素而變化 —— 特征能量損失l 特征能量損失電子： 損失了 ΔEp能量后的電子。當(dāng)入射電子經(jīng)過晶體時，在其路徑近旁， 價電子 受排斥而作 徑向發(fā)散 運動→ 則在入射電子 路徑附近 產(chǎn)生帶 正電 的區(qū)域 路徑較遠(yuǎn) 處為帶 負(fù)電 區(qū)域 電中性被破壞→ 正、負(fù)電區(qū)域的 靜電作用 又使負(fù)電區(qū)域多余的價電子向正電區(qū)域運動→ 當(dāng)運動 超過平衡位置 后，負(fù)電區(qū)變?yōu)檎妳^(qū)，再重復(fù)上面動作 → 如此往復(fù)不已這種縱波式的往復(fù)振蕩是許多原子價電子參加的長程作用，稱為價電子的集體振蕩。p 二次電子應(yīng)用 —— 分辨率較高，是 SEM的主要成像手段 p 單電子激發(fā)的對象： 價電子 原子的核外電子：最外層的價電子 —— 能量高，易被激發(fā) —— 價電子激發(fā)使入射電子產(chǎn)生小角度散射 內(nèi)層電子 —— 能量低，激發(fā)所需能量大，至少為結(jié)合能 —— 產(chǎn)生大角度散射（ 1）單電子激發(fā) —— 二次電子晶體是由 正離子 和漫散在整個空間的 價電子云 構(gòu)成的 電中性體可以把晶體看成是等離子體。p 二次電子 信號 ：試樣 表面 和 深處 都能產(chǎn)生二次電子，但僅在試樣表面10nm層 內(nèi)產(chǎn)生且能 克服逸出功 的二次電子才有可能逸出成為信號。 電離：入射電子把某個核外電子打出去，成為二次電子，原子變成離子的過程。入射電子運動到核附近，受核散射，方向改變、能量受損，損失的能量 △ E→X 射線252。聲子的波長很小動量較大，當(dāng)入射電子與聲子碰撞時，可看作是電子激發(fā)聲子或吸收聲子的碰撞過程，雖然碰撞后入射電子的能量變化不大，但動量改變大，可以產(chǎn)生大角度散射。l（ 3）聲子激發(fā)l由于晶格振動的能量也是量子化的，稱為聲子。167。瞬間破壞晶體局部的電中性，隨后正電與負(fù)電的區(qū)域反復(fù)變化，稱為價電子的集體振蕩。l （ 2）等離子激發(fā)，我們可以把晶體看作是點陣固定的正離子與漫散在整個空間的價電子云組成的電中性體，即等離子體。他的主要特點是：對試樣表面狀態(tài)非常敏感，顯示表面微區(qū)的形貌結(jié)構(gòu)非常有效。非彈性散射機制主要有：l （ 1）單電子激發(fā)，是入射電子與核外電子碰撞，將核外電子激發(fā)到空能級或脫離原子核稱為二次電子，原子變?yōu)殡x子，這個過程叫電離。167。l 原子核對電子束的非彈性散射l 當(dāng)入射電子束運動到原子核附近時，入射電子束還受到原子核庫侖力制動而減速，成為非彈性散射。這個模型可由盧瑟福的經(jīng)典散射模型演示。原子對電子的散射1. 原子核對電子的彈性散射2. 原子核對電子的 非 彈性散射3. 核外電子對電子的 非 彈性散射? 單電子激發(fā)? 等離子激發(fā)? 聲子激發(fā)167。 四、各種電子信號 216。 二、內(nèi)層電子激發(fā)后的馳豫過程 216。 216。 電子與固體物質(zhì)的相互作用電子束與物質(zhì)相互作用，可以產(chǎn)生背散射電子、二次電子、吸收電子、俄歇電子、透射電子、熒光 X射線等各種信號。 小 結(jié)l 電子顯微分析的內(nèi)容；l 電子顯微分析的特點；l 分辨率（分辨能力、分辨本領(lǐng)）；l 電子波長；l 電子在電場中的運動、靜電透鏡、特點；l 電子在磁場中的運動、磁透鏡、特點；l 電磁透鏡的像差和理論分辨率；l 電磁透鏡的場深和焦深。觀察屏或照相底片可上下移動的距離及安裝位置。像平面可上下移動的距離。 當(dāng) r=1nm α=103~102rad時， Df≈200~2022nm 在 不影響成像分辨率條件下（ Xr），場深 Df ：對于加速電壓為 100KV的電鏡，樣品厚度一般控制 200nm以下在透鏡場深范圍內(nèi)，試樣各部位均能調(diào)焦成像 深在不影響透鏡成像分辨本領(lǐng)的前提下， 像平面可沿鏡軸移動的距離（ Di）。 試樣在物平面上下移動的距離；252。5. 電磁透鏡的分辨本領(lǐng)五、電磁透鏡的場深和焦深1. 場 深不影響分辨本領(lǐng)的前提下，物平面可沿透鏡軸移動的距離 (Df )。色差最小彌散圓半徑：Cc—— 透鏡的色差系數(shù)（隨激磁電流增大而減?。│痢?孔徑半角 ΔE/E—— 成像電子束能量變化率 由于透鏡磁場不是理想旋轉(zhuǎn)對稱磁場而引起的像差。電子受到一次或多次非彈性散射，致使能量受損。加速電壓不穩(wěn)定，引起電子束能量波動。 差 色 差：是由于電磁透鏡磁場對不同波長的電子的會聚能力不同而造成的。 加速電壓的波動 及 陰極逸出電子能量 的起伏，使得成像電子的 波長不完全相同 ，使透鏡的焦距發(fā)生變化。216。最小彌散圓 半徑為： 216。M—— 放大倍數(shù)； Cs—— 球差系數(shù)； α —— 孔徑半角? 球差是電子顯微鏡最主要的像差之一，它往往決定了顯微鏡的分辨率。39。 球差最小彌散圓：在 P39。n正球差 — 遠(yuǎn)軸區(qū)對電子束的會聚能力比近軸區(qū)大。點 ,張角最小電子的像落在 P39。假設(shè)張角最大電子的像落在 P39。 電子波的 波長 (速度 )相同 ? 實際情況與理想條件偏離，造成電子透鏡各種 像差? 像差的存在，影響圖像的清晰度和真實性，決定了透鏡只具有一定的分辨本領(lǐng)，從而限制了電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)。 (透鏡電磁場 )具有理想的軸對稱性216。amp。靜電透鏡要求高電壓，但高壓總是危險的！216。 5. 磁透鏡與光學(xué)透鏡的比較③ 磁透鏡場深大（ 200~2022nm）；焦深長（ 80cm） f與（ IN） 2成反比 ② 磁透鏡是 可變焦距 和 可變倍率 透鏡① 磁透鏡對電子有旋轉(zhuǎn)作用，所得到的電子光學(xué)像相對于物來說旋轉(zhuǎn)了一個角度 —— 磁轉(zhuǎn)角雖然靜電透鏡也是會聚透鏡，但現(xiàn)代電子顯微鏡中幾乎都采用磁透鏡，用于使電子束聚焦、成像。 掃描電鏡中物鏡 的下極靴孔比上極靴孔大，以便于在其附近安放某些附件。 如用于 透射電鏡的物鏡 ，上極靴孔要大些，使試樣能放在透鏡的焦點位置附近，并便于試樣的傾斜和移動。 上下極靴的 孔徑不相同 的磁透鏡稱不對稱磁透鏡。有的電鏡是將試樣放在透鏡上、下極靴中間的位置，上極靴附近磁場起會聚電子束的作用，下極靴附近磁場起物鏡作用， —— 單場磁透鏡。特點：? 焦距很短，約等于透鏡磁場的半寬度；? 球差可比普通磁透鏡小一個數(shù)量級， 有利于提高透鏡的分辨本領(lǐng)。短線圈磁場中有一部分磁力線在線圈外側(cè)，它對電子束的聚焦不起作用，因此短線圈磁透鏡的磁場強度小，焦距長。? 一組極靴由具有同軸圓孔的上下極靴和連接筒組成。 ? 極靴磁透鏡特點：極靴附近磁場很強，對電子的折射能力大，可以使透鏡的 f 變得更