第3节 电子光学基础

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1、材料特性表征任课教师：夏虹吉林大学电子科学与工程学院CharacteristicTechniqueofMaterialsEmail:hxia@jlu.edu.cn地址：南区理化楼D121第三章电子显微分析第一节电子光学基础上节课的重点内容第一:光学显微镜成像的原理及其概念衍射，阿贝成像原理第二:光学显微镜的技术参数及其概念数值孔径，分辨率，放大率和有效放大率，光学透镜的像差，焦深、视场宽度、覆盖度、工作距离等第三：光学显微镜的构成第四：几种重要的显微镜技术电子显微分析电子显微分析：是利用聚焦电子束

2、与试样物质相互作用产生的各种物理信号分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。它包括用透射电子显微镜进行的透射电子显微分析(TEM)，用扫描电子显微镜进行的扫描电子显微分析(SEM)，用电子探针仪进行的X射线显微分析(EPMA)。电子显微分析的特点电子显微分析是材料科学的重要分析方法之一，它与其他的形貌、结构、成分分析方法相比就有以下特点：(1)可以在极高放大倍率下直接观察试样的形貌、结构，选择分析区域。分辨率高：0.2~0.3nm;放大倍数高：20~30万倍(2)是一种微区分析方法，具有高度分

3、辨率，成像分辨率达到0.2~0.3mm,可直接分辨原子，能进行nm尺度的晶体结构及化学组成分析。(3)各种电子显微镜分析仪器日益向多功能、综合性方向发展，可以进行形貌、物相、晶体结构和化学组成等的综合分析。第一节电子光学基础电子光学是研究带电粒子（电子、离子）在电场和磁场中运动，特别是在电场和磁场中偏转、聚焦和成像规律的一门科学。本课程所涉及的电子光学仅局限于电子显微镜这类仪器中电子的运动规律——研究各种形式对称的电、磁场和电子运动轨迹。第一节电子光学基础1.1光学显微镜的局限性1.2电子的波性以

4、及波长1.3电子在静电场中的运动和电子透镜1.4电子在磁场中的运动和磁透镜1.5电磁透镜的像差和理论分辨本领1.6电磁透镜的场深和焦深分辨本领1)人的眼睛仅能分辨0.1~0.2mm的细节2)光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。3)用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不可能的，受光学显微镜分辨本领(或分辨率)的限制。分辨本领指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。1.1光学显微镜的局限性1.1光学显微镜的局限性光学透镜分辨本领ΔR0的公式：式中：

5、λ是照明束波长，α是透镜孔径半角，n是物方介质折射率，n·sinα或N·A称为数值孔径。1.1光学显微镜的局限性光学透镜分辨本领ΔR0的公式：1对于可见光的波长在390~770nm之间2N·A值均小于1，最大只能达到1.5~1.6光学显微镜其最大的分辨能力为200nm增大N·A值是有限的，解决的办法是减小波长λ高能辐射区γ射线能量最高，来源于核能级跃迁χ射线来自内层电子能级的跃迁光学光谱区紫外光来自原子和分子外层电子能级的跃迁可见光红外光来自分子振动和转动能级的跃迁波谱区微波来自分子转动能级及电子

6、自旋能级跃迁无线电波来自原子核自旋能级的跃迁电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列。γ射线→X射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波波长长1.1光学显微镜的局限性利用紫外线　　　强烈地吸收X射线　　　　　没有办法使其聚焦1.1光学显微镜的局限性第一节电子光学基础1.1光学显微镜的局限性1.2电子的波性以及波长1.3电子在静电场中的运动和电子透镜1.4电子在磁场中的运动和磁透镜1.5电磁透镜的像差和理论分辨本领1.6电磁透镜的场深和焦深1.2电子的波性以及波长随着人们对微观粒子运动的深入认识，用于显

7、微镜的一种新的照明源，“电子束”被发现了。1924年法国物理学家德.布罗意(DeBroglie)提出一个假设：运动的微观粒子(如电子、中子、离子等)与光的性质之间存在着深刻的类似性，即微观粒子的运动服从波-粒两象性的规律。1927年C.J.Davisson&G.P.Germer戴维森与革末用电子束垂直投射到镍单晶，做电子轰击锌板的实验，随着镍的取向变化，电子束的强度也在变化，这种现象很像一束波绕过障碍物时发生的衍射那样。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释。德布罗意波的实验验证--电子衍射

8、实验1探测器电子束电子枪镍单晶1.2电子的波性以及波长屏P多晶薄膜高压栅极阴极德布罗意波的实验验证--电子衍射实验2同时英国物理学家G.P.Thompson&Reid也独立完成了电子衍射实验。电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象X射线一样产生衍射现象。德布罗意理论从此得到了有力的证实，获得1929年的诺贝尔物理学奖金，Davisson和Thompson则共同分享了1937年的诺贝尔物理学奖金。1.2电子的波性以及波长1.2电子的波性以及波长这种运动的微观粒子的波长为普朗克常数h