穿过样品的电子会聚成像
• 1933年，Ruska用电镜获得了金箔和纤维的1万 倍的放大像。至此，电镜的放大率已超过了光 镜。 • 1937 年 ， 柏 林 工 业 大 学 的 Klaus 和 Mill 继 承 了 Ruska的工作，拍出了第1张细菌和胶体的照片， 获得了25 nm的分辨率，从而使电镜完成了超越 光镜性能的这一丰功伟绩。
• 场发射枪的电子发射是通过外加电场将电子从枪尖 拉出来实现的。 • 由于越尖锐处枪体的电子脱出能力越大，因此只有 枪尖部位才能发射电子。在很大程度上缩小了发射 表面，通过调节外加电压可控制发射电流和发射表 面。
• (4) 聚光镜：
• 聚光镜有增强电子束密度和再一次将发散的电子会聚 起来的作用。 • 一般采用双聚光镜系统，从电子枪射来的电子束在磁 场的作用下，会聚于一点，其直径小于几微米。调解 线圈电流，可调节电子束斑大小。(铜线圈绕软铁柱， 中间打一小孔) • 强激磁透镜（第一聚光镜） • 束斑缩小率10-50倍 • 弱激磁透镜（第二聚光镜） • 放大率2倍
h mv
• 其中h为普朗克常数。
• 初速度为0的电子，受到电位差为V的电场的加 速后速度为v，根据能量守恒原理，电子获得 的动能为：
1 2 p2 E eV mv 2m 2
h
2eV v m
h h p 2m E 2m eV
• 电子显微镜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：
物 物镜 衍射谱 一次像 中间镜 二次像 投影镜 三次像 （荧光屏） （a）高放大率 选区光阑
（b）衍射
（c）低放大率
• 3. 显像部分 • 这部分由观察屏和照相机组成。 • 观察屏所在的空间为观察室。由于观察屏是用 荧光粉制成的，所以常称观察屏为荧光屏。 • 观察屏和照相底片放在投影镜的像平面上，两 者隔一段距离。 • 在分析电镜中，在观察室和荧光屏之间还装有 探测器，用来收集透射电子和散射电子，以形 成与常规透射电镜相对应的扫描透射电镜的暗 场象。
• 式中m0为电子的静止质量，c为光速。 • 上式的近似公式： =(150/V)1/2 • 测试中心 JEM2000EX， TEM 160 eV
• 加速电压和电子波长的关系为
加速电压(kV) 电子波长(Å)
1 10 50 100 1000 0.3878 0.1226 0.0548 0.0388 0.0123
• 例如100 kV电压下加速的电子，德布洛依波的波 长为0.037埃，比可见光的波长小几十万倍。
• 1926年，物理学家布施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，具有轴 对称性的磁场对电子束来说起着透镜的作用， 可以实现电子波聚焦，为电镜的发明奠定了基 础。 • 1932年，德国的Ruska和Knoll等在柏林制成了 第一台电子显微镜。其加速电压为70 kV，放 大率只有l3倍，表明电子波可以用于显微镜。 1986诺贝尔奖见图。采用双透镜可达1714倍。
• 2. 成像放大部分 • 这部分有试样室、物镜、中间镜、投影镜等组 成。 • （1）试样室：位于照明部分和物镜之间，它 的主要作用是通过样品台承载试样，移动试样。
• （2）物镜： • 是形成第一副电子图像或衍射花样的透镜，决定 成像分辨率的极限，是电镜的最关键的部分。透 射电镜的好坏，很大程度上取决于物镜的好坏。
• 7)阴极荧光—入射电子束发击发光材料表面时， 从样中激发出来的可见光或红外光。 • 8)感应电动势—入射电子束照射半导体器件的 PN结时，将产生由于电子束照射而引起的电动 势。
• 9)弹性与非弹性散射电子—弹性散射电子(被样 品原子核反弹回来，散射角大于90度的入射电 子，能量基本没有损失)和非弹性散射电子(入射 电子和样品核外电子撞击后产生的非弹性散射， 不仅方向改变，能量有不同程度损失)。 • 非弹性散射电子----能量损失谱。 • 原子核(连续波长X射线)和核外电子(二次电子和 特征X射线)
• 上述信息，可以采用不同的检测仪器，将其转变 为放大的电信号，并在显像管荧光屏上或X－Y 记录仪上显示出来，测试样品的形貌、结构和成 分。
• 一 光学显微镜： • 人的眼睛的分辨本领0.1毫米。 • 光学显微镜，可以看到象细菌、细胞那样小的物 体，极限分辨本领是0.2微米。b • 显微镜的分辨本领公式(阿贝公式)为： • d=0.61/(Nsin)， • Nsin是透镜的孔径数。其最大值为1.3。光镜采 用的可见光的波长为400~760 nm。 • 观察更微小的物体必须利用波长更短的波作为光 源。 • X射线能不能用作光源？？？衍射
• §3.1透射电子显微镜 • (TEM）transmission electron miroscope • 电子与物质相互作用
• 当高能入射电子束轰击样品表面时，入射电子 束与样品间存在相互作用，有99%以上的入射 电子能量转变成样品热能，而余下的约1％的 入射电子能量，将从样品中激发出各种有用的 信息，主要有： • 1)二次电子—被入射电子轰击出来的核外电子， 它来自于样品表面100Å左右(50~500Å)区域， 能量为0～50eV，二次电子产额随原子序数的 变化不明显，主要决定于表面形貌。 • SEM分析形貌
• 日本日立公司H－700电子显微镜 • 分 辨 率：0.34 nm • 加速电压：75KV－200 KV • 放大倍数：25万倍。 •
• • • •
JEM-2010透射电镜 加速电压200 KV LaB6灯丝 点分辨率 1.94 Å。
• 2.电子显微镜的电子光学理论
• (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：
• 2)背散射电子—指被固体样品原子反弹回来的一 部分入射电子，它来自样品表层0.1~1m深度范 围，其能量近似于入射电子能量，背散射电子 产额随原子序数的增加而增加。SEM • 利用背散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特 征，也可用来显示原子序数衬度，定性地进行 成份分析。 • 低能电子衍射LEED：进行界面晶体结构分析。
• 3)透射电子—如果样品足够薄(1μm以下)，透过样 品的入射电子为透射电子，其能量近似于入射电子 能量。它仅仅取决于样品微区的成分、厚度、晶体 结构及位向等，可以对薄样品成像和微区晶相分析。 TEM，ED
• 4)吸收电子—残存在样品中的入射电子。若在样品 和地之间接入一个高灵敏度的电流பைடு நூலகம்，就可以测得 样品对地的信号，这个信号是由吸收电子提供的。
相对论修正后 的电子波长(Å) 0.3876 0.1220 0.0536 0.0370 0.0087
光源 聚光镜 试样 物镜
电子枪 聚光镜
试样 物镜
中间象
中间象
目镜
投影镜
毛玻璃 照相底板
观察屏 照相底板
光学显微镜
电子显微镜
• 三 TEM的构造 • 近代大型电子显微镜的结构和光学透镜非常类似。 包括电子光学系统、真空系统和供电系统三大部 分。
• (一）、电子光学系统 • 1. 照明部分如下图 • （1）阴极：又称灯丝，一般是由0.03~0.1毫米的 钨丝作成V或Y形状。 • （2）阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安 全，一般都是阳极接地，阴极带有负高压。 • （3）控制极：会聚电子束；控制电子束电流大 小，调节像的亮度。
阴极（接 负高压） 控制极（比阴极 负100~1000伏） 阳极 电子束
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主要英文词汇 transmission electron miroscope Scanning electron microscope Scanning Tunneling Microscope Atomic Force Microscope
• 纳米材料表征 • morphology (the microstructural or nanostructural architecture); TEM, SEM, STM, AFM • crystal structure (the detailed atomic arrangement in the chemical phases contained within the microstructure); XRD, ED, LEED • chemistry (the elements and possibly molecular groupings present); EDS, XPS, AES • electronic structure (the nature of the bonding between atoms). IR, UV
• （4）相对位臵 • 试样、物镜、中间镜、投影镜四者之间的相对 位臵是：试样放在物镜的物平面上(物镜的物 平面接近物镜的前焦面)，物镜的像平面是中 间镜的物平面，中间镜的像平面是投影镜的物 平面。
• 物镜、中间镜、投影镜三者结合起来，给出电 镜的总放大倍率。
• 近代电镜一般都有两个中间镜、两个投影镜。30万倍 以上成像时，物镜、两个中间镜和两个投影镜同时起 放大作用。低倍时，关掉物镜，第一个中间镜对试样 进行第一次成像，总的放大倍数可在一千倍以下。
第三部分 纳米材料的检测分析技术
• 教学目的：讲授纳米微粒的检测分析技术。
• 重点内容： • 透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描隧道 显微镜（STM）和原子力显微镜、 X光衍射仪。 • 难点内容： • 透射电子显微镜、扫描电子显微镜
• 熟悉内容: • 比表面积、激光拉曼光谱、电子探针、离子探 针、俄歇电子谱仪
• 1939年Ruska在德国的西门子公司制成了分辨本 领优于100 Å的电子显微镜。
• PhilipsCM200/FEG场发射枪电镜 • 加速电压20KV、40KV、80KV、 • 160KV、200KV 可连续设臵加速电压 热场发射电子枪 晶格分辨率 1.4 Å 点分辨率 2.4 Å 最小电子束直径1 nm 能量分辨率约1eV 倾转角度α=±20度 β=±25度。