材料方法-第11章-TEM-1

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1、第10章透射电子显微镜(TransmissionElectronMicroscopy,TEM)Wavelength-distancebetweenpeaksofthewaveform1939-FirstEMbuiltinNorthAmericabyJamesHillierandAlbertPrebusattheUniversityofTorontoDr.PrebusDr.Ladd一、原理LightvsElectronMicroscope二、特点分辨率景深光学显微镜的分辨率由于光波的波动性，使得由透镜各部分折射到像平面上的像点及其周围区域的光

2、波发生相互干涉作用，产生衍射效应。一个理想的物点，经过透镜成像时，由于衍射效应，在像平面上形成的不再是一个像点，而是一个具有一定尺寸的中央亮斑和周围明暗相间的圆环所构成的Airy斑。如图5-1所示。透镜分辨率Airy斑的强度大约84%集中在中心亮斑上，其余分布在周围的亮环上。由于周围亮环的强度比较低，一般肉眼不易分辨，只能看到中心亮斑。因此通常以Airy斑的第一暗环的半径来衡量其大小。根据衍射理论推导，点光源通过透镜产生的Airy斑半径R0的表达式为：通常把两个Airy斑中心间距等于Airy斑半径时，物平面上相应的两个物点间距（Δr0）定义

3、为透镜能分辨的最小间距，即透镜分辨率（也称分辨本领）。即对于光学透镜，当n•sinα做到最大时（n≈1.5，α≈70-75°），式（5-2）简化为：有效放大倍数光学透镜的分辨本领主要取决于照明源的波长。半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。可见光的最短波长是390nm，也就是说光学显微镜的最高分辨率是≈200nm。一般地人眼的分辨本领是大约0.2mm，光学显微镜的最大分辨率大约是0.2μm。把0.2μm放大到0.2mm让人眼能分辨的放大倍数是1000倍。这个放大倍数称之为有效放大倍数。光学显微镜的分辨率在0.2μm时，其有效放大倍数是1000

4、倍。如何提高显微镜的分辨率降低照明光源的波长。更短的波长是X射线。因此X射线也不能作为显微镜的照明光源。电子波不仅具有短波长，而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。不同加速电压下的电子波波长加速电压U/KV电子波波长λ/nm加速电压U/KV电子波波长λ/nm204060801000.008590.006010.004870.004180.0037112016020050010000.003340.002850.002510.001420.00087电磁透镜电子波和光波不同，不能通过玻璃透镜会聚成像。

5、但是轴对称的非均匀电场和磁场则可以让电子束折射，从而产生电子束的会聚与发散，达到成像的目的。人们把用静电场构成的透镜称之“静电透镜”；把电磁线圈产生的磁场所构成的透镜称之“电磁透镜”。静电透镜当电子在电场中运动，由于电场力的作用，电子会发生折射。我们将两个同轴圆筒带上不同电荷（处于不同电位），两个圆筒之间形成一系列弧形等电位面族，散射的电子在圆筒内运动时受电场力作用在等电位面处发生折射并会聚于一点。这样就构成了一个最简单的静电透镜。透射电子显微镜中的电子枪就是一个静电透镜。电磁透镜电子在磁场中运动，当电子运动方向与磁感应强度方向不平行时，将

6、产生一个与运动方向垂直的力（洛仑兹力）使电子运动方向发生偏转。图5-3是一个电磁线圈。当电子沿线圈轴线运动时，电子运动方向与磁感应强度方向一致，电子不受力，以直线运动通过线圈；当电子运动偏离轴线时，电子受磁场力的作用，运动方向发生偏转，最后会聚在轴线上的一点。电子运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。电磁透镜短线圈磁场中的电子运动显示了电磁透镜聚焦成像的基本原理。实际电磁透镜中为了增强磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低碳钢）制成的具有内环形间隙的壳子里。电磁透镜此时线圈的磁力线都集中在壳内，磁感应强度得以加强。狭缝的间隙越小，磁场强

7、度越强，对电子的折射能力越大。为了使线圈内的磁场强度进一步增强，可以在电磁线圈内加上一对磁性材料的锥形环，这一装置称为极靴。增加极靴后的磁线圈内的磁场强度可以有效地集中在狭缝周围几毫米的范围内。电磁线圈与极靴有极靴B（z）没有极靴无铁壳z磁感应强度分布图电磁透镜成像光学透镜成像时，物距L1、像距L2和焦距f三者之间满足如下关系：电磁透镜成像时也可以应用式。所不同的是，光学透镜的焦距是固定不变的，而电磁透镜的焦距是可变的。电磁透镜焦距f常用的近似公式为：式中是K常数，Ur是经相对论校正的电子加速电压，（IN）是电磁透镜的激磁安匝数。改变激磁电

8、流可以方便地改变电磁透镜的焦距。而且电磁透镜的焦距总是正值，这意味着电磁透镜不存在凹透镜，只是凸透镜。电磁透镜的像差对分辨率的影响最佳的光学透镜分辨率是波长的一半。对于电磁透镜来