《电子学基础》PPT课件

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1、电子显微与扫描探针相关技术杨合情陕西师范大学化学与材料科学学院第一章电子学基础1.电子学基础电子显微镜的放大倍数很高，分辨率极大，克服了人眼和光学显微镜的局限性。人眼的分辨极限只有0.1mm.光学显微镜分辨极限0.1um电子显微镜的分辨率一般可达0.3nm最好的电子显微镜分辨率可达0.07nm一般原子、离子的半径大约是0.1nm左右，所以电子显微镜下可以直接观察到分子，甚至原子的世界。这个分辨能力比人眼提高了近一百万倍，最好的光学显微镜也高1000倍。1.1电子束流的特点电子显微镜是利用电子束流作为

2、光源使物体成像的。电子束流实际上是一种阴极射线流，是一种带负电的粒子流，它具有粒子性和波动性。1924年，德布罗意证明：这种波长（λ）与粒子运动速率（ν）及粒子质量（m）之间存在以下关系:λ=h/(mv)其中h是普朗克（plank）常量.在电子显微镜中，电子在真空镜拄中运动的速率与加速电压密切相关，根据能量守恒定律：如果V比较高时：式中m0:电子静止质量代入m0h值得:根据上式可计算出不同加速电压下电子的波长值。电子波长比可见光波长短得多，当加速电压为50-100kV时，电子波长仅为0.00536-

3、0.00370nm，为可见光波长的十万分之一。利用电子作为光源，可以大大提高显微镜的分辨本领和有效放大倍数。只要能制造出使电子波聚集的透镜，就能够获得高分辨率、高放大倍数的图像。1.2电子在电磁场中的运动和电磁透镜布什（Busch)指出，对运动的电子束来说，具有轴对称性的磁场，具有类似于光学透镜的作用。这一原理是电子显微镜中关键部件－电磁透镜设计制造的指导思想。运动的电子束流在受到电场或磁场作用时会改变前进的轨迹和运动的方向。并且不同的磁场对电子运动轨迹的影响也不相同。电子束流在电磁场中发生弯曲，即

4、可折射性，类似于自然光线通过玻璃透镜时的情况一样。电场和磁场能够改变电子束流的运动轨迹，当电场或磁场是轴对称的时候，它能使许多从同一点出发的电子在经过不同的轨迹之后相交于另一点----电子具有被聚焦的特点。这样的电场或磁场称为电子透镜电场叫做静电透镜，磁场叫做电磁透镜。因为电磁透镜像差小，并且易于操作，所以电子显微镜常选用电磁透镜。在电子光学系统中使用的是一种具有旋转对称非均匀的磁场，这种磁级装置叫做磁透镜。原理:如果一束电子沿着透镜主轴方向射入透镜，其中精确的沿轴线运动的电子不受磁场力的作用，不改

5、变运动方向，而其它与主轴平行的入射电子则作圆锥螺旋运动。一束平行于主轴的入射电子通过电磁透镜后，将被聚焦在轴线上的一点，即焦点。这与光学凸透镜对平行轴线入射光的光线的聚焦作用十分相似。这表明，电磁透镜与光学透镜有着相似的光学特性，如图19.5所示:电磁透镜的物距L1,像距L2和焦距f之间的关系也可以由薄透镜成像原理公式表达:1/L1+1/L2=1/f电磁透镜的像放大倍数:M=L2/L1磁透镜可分为三种：（见19.6）a.一种是无芯的多层线圈型的螺线管b.另一种是用软铁包住线圈减少漏磁，将磁场集中在铁

6、芯的内孔隙里。c.还有一种软铁包住线圈，使磁场集中在被插入的极靴小孔隙中——是一种强磁透镜。由于透镜焦距与所采用的磁场相关，磁场越强，焦距越短，放大倍数也就越大。电子显微镜的成像物镜大多采用短焦距的强磁透镜。1.3电磁透镜的像差、分辨本领、景深和焦长1.3.1电磁透镜的像差电磁透镜存在有多种像差：(1)一类是透镜磁场几何上的缺陷产生的几何像差：球面像差（球差）像散像的畸变(2)另一类是电子波长或能量的非单一性引起的色差。(3)有衍射效应引起的衍射像差。（1）球面像差（球差）球面像差：是指在电磁透镜的

7、磁场中，近轴区域磁场对电子束的折射能力与远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的。一个理想的物点所散射的电子经过具有球差的电磁透镜后，不能汇聚于同一个像点上，而被分别汇聚在一定的轴向距离上。在轴向距离范围内，存在一个最小的焦斑。[见图19.8(a)]尽可能减小球差引起的最小焦斑的尺寸，以提高透镜的分辨本领。球面像差除了影响透镜的分辨本领外，还会引起图像的畸变，包括正球差，负球差，旋转畸变等。如图19.7球差最小散焦斑半径(rs)可表示为：rs=(1/4)Csα3Cs表示电磁透镜的球差系数，α表示电

8、磁透镜的半孔径角。可以看出:球径最小散焦斑半径与球差系数成正比，与孔径角α3成正比。增加极靴孔隙中的磁场强度，就会降低球面像差系数Cs。在电子束的路径上放置一个适当大小的光栏，就能减小电子束发射角，(孔径角),从而减小球面像差。但光栏孔太小，就会使衍射像差变得明显，故需要选择合适的光栏尺寸。球面像差产生的基本原理见图19.8(a)（2）色差色差：是由于成像电子波长或能量变化引起的电磁透镜焦距变化而产生的像差。一个物点散射的，具有不同波长（或能量）电子进入透镜磁场后，如