第四章 透射电子显微术09.11.01

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1、第四章透射电镜4.1引言人的眼睛不能直接观察到比0.1毫米更小的物体或物质结构细节。借助于光学显微镜，可以看到象细菌、细胞那样小的物体。但是，由于光波的衍射效应，光学显微镜的分辨极限大约是光波的半波长，可见光的短波长约为0.4微米，所以光学显微镜的极限分辨本领是0.2微米。为了观察更微小的物体，必须利用波长更短的光作为光源。1924年德布洛依提出了微观粒子具有二象性的假设．后来这假设得到了实验证实。从此，人们认识到高速运动的粒子与短波辐射相联系，例如在100千伏电压下加速的电子，相应的德布洛依的波长为

2、0.037埃(记做Å，1Å＝10-8cm)，比可见光的波长几十万倍。此后，物理学家们利用电子在磁场中的运动与光线在介质中的传播相似的性质，研究成功了电子透镜。1932一1933年间，德国的Knoll和Ruska等在柏林制成了第一台电子显微镜。虽然这台电子显微镜的放大率只有12倍，但它表明，电子波可以用于显微镜，从而为显微镜的发展开辟了一个新的方向。1939年德国的西门子公司产生了分辨本领优于100Å的商品电子显微镜近半个世纪以来。十几个国家已经生产了上万台各种类型的电子显微镜。我国从1958年开始制造

3、电子显微镜，现在已经能生产性能较好的透射电镜和扫描电镜。现代高性能的透射电于显微镜点分辨本领优于3Å，晶格分辨本领达到1—2Å，自动化程度相当高，而且具备多方面的综合分析功能。在自然科学的一些领域中，电子显微镜作为观察微观世界的“科学之眼”，已经成为一种不可缺少的仪器。在生物学、医学中，在金属、高分子、陶瓷，半导体等材料科学中，在矿物、地质等部门中，以及在物理、化学等学科中，电子显微分析都发挥着重要的作用。电子显微镜使人们进入了以“埃”为单位的世界。现代电子显微镜的分辨本领已经达到原子大小的水平，人们

4、渴望直接看到原子的理想已经开始实现了。科学工作者已经用电镜直接看到某些特殊的大分子的结构，还看到了某些物质的原子像。电子显微术的进一步发展，今后有可能使我们对物质结构的认识有新的重大进展。4．2电子显微镜的电子光学基础电子光学是电子显微镜的理论基础，它主要研究电子在电磁场中的运动规律。本节只讲述与电子显微镜有关的电子透镜的基本知识。4．2．1电子的波动性及电子波的波长根据德布洛依假设，运动微粒和一个平面单色波相联系。以速度为v、质量为m的微粒相联系的德布洛依波的波长为（4-1）其中h为普朗克常数。初速

5、度为0的电子，受到电位差为V的电场的加速，根据能量守恒原理，电子获得的动能为（4-2）式中e为电子的荷电量。从上式得到（4-3）将(4—3)式代人(4—1)式，得到（4-4）电子显微镜中所用的电压在几十千伏以上，必须考虑相对论效应。经相对论修正后，电子波长与加速电压之间的关系为（4-4、）式中m0为电子的静止质量，c为光速。表4—1列出了一些加速电压和电子波长的关系。表4—1加速电压与电子波长透射电镜的加速电压一般在50—100KV，电子波长在0.0536—0.0370Å，比可见光的波长小十几万倍，比

6、结构分析中常用的x射线的波长也小1—2个数星级。运动电子具有波粒二象性。在电子显微术中，讨论电子在电、磁场中的运动轨迹，讨论试样对电子的散射等问题是从电子的粒子性来考虑，而讨论电子的衍射以及衍射成像问题时，是从电子的波动性出发的。4—3透射电子显微镜的结构与成像原理透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组成。电子光学系统通常称镜筒、是透射电子显微镜的核心、它的光路原理与透射光学显微镜十

7、分相似，如图4—1所示。它分为三部分，即照明系统、成像系统和观察记录系统。图4-1透射显微镜构造原理和光路图（a）透射电子显微镜；（b）透射光学显微镜一、照明系统照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。其作用是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。为满足明场和暗场成像需要，照明束可在2º—3º范围内倾斜。(一)电子枪电子枪是透射电子显微镜的电子源。常用的是热阴极三极电子枪，它由发夹形钨丝阴极、栅极帽和阳极组成，如图4-2所示。图4—2电子枪（a）自偏压回路；（b

8、）电子枪内的等电位面图4—2为电子枪的自偏压回路，负的高压直接加在栅极上，而阴极和负高压之间因加上了一个偏压电阻，使栅极和阴极之间有一个数百伏的电位差。图4—2(b)中反映了阴极、栅极和阳极之间的等位面分布情况。因为栅极比阴极电位值更负，所以可以用栅极来控制阴极的发射电子有效区域。当阴极流向阳极的电子数量加大时，在偏压电阻两端的电位值增加，使栅极电位比阴极进一步变负，由此可以减小灯丝有效发射区域的面积，束流随之减小。若束流因某种原因而减小时，偏压电阻两端