透射电镜(TEM)原理详解.ppt

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1、透射电镜原理详解光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了重要的工具。随着科学技术的发展，光学显微镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分析的需求。上世纪30年代后，电子显微镜的发明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、晶体结构、成分分析等于一体。人类认识微观世界的能力从此有了长足的发展。引言-电子光学基础透镜分辨率指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离光学透镜分辨率的公式：式中：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。

2、对于光学透镜，当n•sinα做到最大时(n≈1.5，α≈70-75°)波长是透镜分辨率大小的决定因素。透镜的分辨本领主要取决于照明束波长λ。半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。若用波长最短的可见光(λ=390nm)作照明源，则≈200nm200nm是光学显微镜分辨本领的极限如何提高显微镜的分辨率根据透镜分辨率的公式，要想提高显微镜的分辨率，关键是降低照明光源的波长。顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在13-390nm之间，比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地吸收紫外光，因此紫外光难以作为照明光源

3、。更短的波长是X射线(0.01~10nm)。但是，迄今为止还没有找到能使X射线改变方向、发生折射和聚焦成象的物质，也就是说还没有X射线的透镜存在。因此X射线也不能作为显微镜的照明光源。除了电磁波谱外，在物质波中，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。电子波长根据德布罗意（deBroglie）的观点，运动的电子除了具有粒子性外，还具有波动性。这一点上和可见光相似。电子波的波长取决于电子运动的速度和质量，即式中，h为普郎克常数：h=6.626×10

4、-34J.s；m为电子质量；v为电子运动速度，它和加速电压U之间存在如下关系：即式中e为电子所带电荷，e=1.6×10-19C。将两式整理得：单位是nm单位是V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。但是轴对称的

5、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，达到成像的目的控制电子束的运动在电子光学领域中主要使用电磁透镜装置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。电子运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线,最后会聚在轴线上的一点。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。电磁透镜的像差及其对分辨率的影响最佳的光学透镜分辨率是波长的一半。对于电磁透镜来说，目前还远远没有达到分辨率是波长的一半。以日立H-800透射电镜为例，

6、其加速电压达是200KV，若分辨率是波长的一半，那么它的分辨率应该是0.00125nm；实际上H-800透射电镜的点分辨率是0.45nm，与理论分辨率相差约360倍。透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜的像差有关。光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等办法来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的影响;但电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所以至今还没有找到一种能矫正球差的办法。这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。由于像差的存在，使得电磁透镜的分辨率低于理论值。电磁透

7、镜的像差包括球差、像散和色差。电镜的像差为：球差、像散、色差。其中球差不可消除且对电镜分辨率影响最显著；像散可以消除；色差的影响是电压波动和样品厚度不均球差球差是因为电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的。原来的物点是一个几何点，由于球差的影响现在变成了半径为ΔrS的漫散圆斑。我们用ΔrS表示球差大小，计算公式为：：球差系数球差是像差影响电磁透镜分辨率的主要因素，它还不能象光学透镜那样通过凸透镜、凹透镜的组合设计来补偿或矫正。球差系数越大，由球差决定的分辨本领越差，随着α的增大，分

8、辨本领也急剧地下降衍射效应的分辨率和球差造成的分辨率由球差和衍射同时起作用的电磁透镜的理论分辨率可以由这两个效应的线性叠加求得，即最佳孔径半角相应的最小分辨率该式表达了由球差和衍射所决定的理论分辨本领。普遍式为:孔径半角α对衍射效应的分辨率和球差造成的分辨率的影响是相反的。提高孔径半角α可以提高分辨率Δrd，但却大大降低了ΔrS。由球差和衍射所决定的电磁透镜的分辨本领r对孔径半角α的依赖性αp=B(λ/Cs)1/