1、 電子顯微鏡電子顯微鏡中國地質大學中國地質大學( (武漢武漢) )材化材化學院學院The Faculty of Material Science & Chemistry ,China University of Geosciences2第2章 電子束與物質作用產生的信號第3章 掃描電子顯微鏡的結構及工作原理 第4章 掃描電子顯微鏡的操作與應用主要內容第1章 電子光學基礎 電子顯微鏡是以電子束為照明源，通過電子顯微鏡是以電子束為照明源，通過電子流電子流對樣品的透射或反射及對樣品的透射或反射及電磁透鏡的多級放大電磁透鏡的多級放大后在后在熒光屏上成像的大型儀器。熒光屏上成像的大型儀器。3第第

2、1 1章章 電子光學基礎電子光學基礎1.1 1.1 電子顯微鏡概述電子顯微鏡概述電子顯微鏡由電子流代替可見光，電子顯微鏡由電子流代替可見光，由磁場代替透鏡，讓電子的運動代替光子。由磁場代替透鏡，讓電子的運動代替光子。光學顯微鏡則是利用可見光照明，光學顯微鏡則是利用可見光照明，將微小物體形成放大影像的光學儀器。將微小物體形成放大影像的光學儀器。“數碼顯微鏡數碼顯微鏡” : : 光學顯微鏡光學顯微鏡45樣品樣品物鏡物鏡光源光源可見光可見光光 鏡聚光鏡聚光鏡投影鏡投影鏡圖圖像像樣品樣品電磁聚光鏡電磁聚光鏡掃描線圈掃描線圈探測器探測器掃描電鏡電子束電子束光學顯微鏡和掃描電鏡的光路比較掃描電鏡圖像光學顯

3、微鏡圖像掃描電鏡和光學顯微鏡的圖像比較大約在大約在400400年年前（前（15901590年），年），由荷蘭科學家楊由荷蘭科學家楊森和后來的博物森和后來的博物學家列文虎克發學家列文虎克發明和完善的顯微明和完善的顯微鏡，向人們揭示鏡，向人們揭示了一個陌生的微了一個陌生的微觀世界，他們是觀世界，他們是開辟人類顯微分開辟人類顯微分析的始祖。析的始祖。7列文虎克列文虎克19世紀世紀現在，最好的光學顯微鏡可以達到現在，最好的光學顯微鏡可以達到20002000倍的放大倍數。倍的放大倍數。8現代的光學顯微鏡現代的光學顯微鏡 不管如何完善光學顯微鏡的透鏡和結構，其放大不管如何完善光學顯微鏡的透鏡和結構，其放大

4、倍數和分辨率總是被限定在倍數和分辨率總是被限定在20002000多倍和幾百納多倍和幾百納米的水平，不可能再有新的突破。米的水平，不可能再有新的突破。9101924 德布羅意波：電子的波粒二象性德布羅意波：電子的波粒二象性19261927電子波的波長隨著加速電壓的改變而改變；電子波的波長隨著加速電壓的改變而改變；布施：具有軸對稱的磁場對電子束起著匯聚的作用。布施：具有軸對稱的磁場對電子束起著匯聚的作用。1932第一臺透射電子顯微鏡誕生：放大倍數第一臺透射電子顯微鏡誕生：放大倍數12121717倍倍1934透射電子顯微鏡的分辨率提高到透射電子顯微鏡的分辨率提高到50nm50nm1.2 1.2 電子

5、顯微鏡的誕生與發展電子顯微鏡的誕生與發展50年代英、法、荷、日、美、蘇等國透射電子顯微鏡已批量生產；英、法、荷、日、美、蘇等國透射電子顯微鏡已批量生產；同時，晶體缺陷理論得到證實。同時，晶體缺陷理論得到證實。60年代 透射電子顯微鏡的分辨率提高到透射電子顯微鏡的分辨率提高到0.5nm0.5nm；商品用掃描電子顯微鏡的分辨率商品用掃描電子顯微鏡的分辨率25nm25nm70-80年代電子顯微學科誕生。電子顯微學科誕生。1942劍橋大學馬倫：第一臺掃描電子顯微鏡誕生劍橋大學馬倫：第一臺掃描電子顯微鏡誕生11德國 ZEISS日本 HITACHI美國 FEI荷蘭 Philips現在電子顯微鏡的分辨率可達

6、到0.01nm可攜帶的附件：可攜帶的附件：X X射線波譜分析儀、射線波譜分析儀、X X射線能譜儀、自射線能譜儀、自動圖像分析儀、背散射衍射儀等等。功能越來越強大。動圖像分析儀、背散射衍射儀等等。功能越來越強大。簡單地說，分辨率就是能夠把兩個點分辨開的最小簡單地說，分辨率就是能夠把兩個點分辨開的最小距離。距離。人眼睛的分辨率大約為人眼睛的分辨率大約為0.10.1個毫米。個毫米。所以，要想看清比所以，要想看清比0.10.1個毫米還小的東西，就要借助個毫米還小的東西，就要借助于放大鏡和顯微鏡。即利用顯微鏡把所要觀察的物于放大鏡和顯微鏡。即利用顯微鏡把所要觀察的物體至少放大到體至少放大到0.10.1個

7、毫米以上，才能看清它。個毫米以上，才能看清它。121.3 1.3 電子光學基礎電子光學基礎 r r0 0：兩物點的間距；兩物點的間距； ：光線的波長；：光線的波長； n n：透鏡周圍介質的折射率；：透鏡周圍介質的折射率； ：孔徑角，即物點發出能進入透鏡成像的：孔徑角，即物點發出能進入透鏡成像的光線錐的錐頂角的半角光線錐的錐頂角的半角； nsinnsin稱為數值孔徑；稱為數值孔徑； 根據光學原理，兩個發光點的分辨距離為：根據光學原理，兩個發光點的分辨距離為：13將玻璃透鏡的一般參數代入上式，即最將玻璃透鏡的一般參數代入上式，即最大孔徑半角大孔徑半角=70-75 ，在介質為油的情況下，在介質為油的

8、情況下，n1.5,其數值孔徑其數值孔徑n sin1.25-1.35，上式，上式可化簡為：可化簡為：14這說明，顯微鏡的分辨率取決于可見光的波長，波長這說明，顯微鏡的分辨率取決于可見光的波長，波長越短，分辨率越大。只有比光線波長一半還大的物體越短，分辨率越大。只有比光線波長一半還大的物體才會產生反射光而被放大看到。所以，用最好的光學才會產生反射光而被放大看到。所以，用最好的光學顯微鏡，其分辨率也只能是可見光波長的一半。顯微鏡，其分辨率也只能是可見光波長的一半。不同波長光源分辨本領的比較不同波長光源分辨本領的比較1516u可見光的波長范圍為可見光的波長范圍為390 760nm 390 760nm

9、(1nm=10)(1nm=10)，因此光學顯微鏡的分辨率的極限是，因此光學顯微鏡的分辨率的極限是200nm200nm。u紫外線（紫外線（400nm400nm）作光源，分辨率可提高一）作光源，分辨率可提高一倍。現代紫外光顯微鏡的分辨率可達到倍。現代紫外光顯微鏡的分辨率可達到100nm100nm。u要制造更高分辨率的顯微鏡，必須采用波長更要制造更高分辨率的顯微鏡，必須采用波長更短的波作為成像媒介。短的波作為成像媒介。 已知電子束具有波動性，對于運動速度為已知電子束具有波動性，對于運動速度為v，質量為質量為m的電子波的波長為：的電子波的波長為： =h/mvh普朗克常數；普朗克常數；m電子的質量；電子

10、的質量；V電子的速度。電子的速度。 電子的速度電子的速度v和加速電壓和加速電壓U之間之間: eU 1/2 mv2 e電子所帶的電荷。電子所帶的電荷。 即即 v （2eU/m）1/2 17由此得由此得 h/(2emU)h/(2emU)1/21/2代入代入h=6.62h=6.6210-34J.S, m=9.1110-34J.S, m=9.1110-31kg10-31kg， e=1.60e=1.6010-19c 10-19c 12.25/U12.25/U1/2 1/2 U U的單位用伏特，的單位用伏特， 的單位為的單位為。 18 前面計算的過程中，電子的質量采用前面計算的過程中，電子的質量采用的是靜

11、止時的質量，但根據相對論理論，的是靜止時的質量，但根據相對論理論，在高速運動的情況下，其質量有變化：在高速運動的情況下，其質量有變化： m mm m0 0/1-(v/c)/1-(v/c)2 2 1/21/2 v v為電子運動的速度，為電子運動的速度，c c為光速。為光速。 波長與電壓的計算公式應校正為：波長與電壓的計算公式應校正為： 12.25/U(1+0.978812.25/U(1+0.97881010-6-6U)U)1/21/2190.00870.0087100010000.06980.069830300.01420.01425005000.08590.085920200.02510.02

12、512002000.1220.12210100.03700.03701001000.1730.1735 50.04180.041880800.1940.1944 40.04870.048760600.2240.2243 30.05360.053650500.2740.2742 20.06010.060140400.3880.3881 1電子波波長電子波波長/加速電壓加速電壓/KV/KV電子波波長電子波波長/加速電壓加速電壓/KV/KV 不同加速電壓下電子波的波長（經相對論校正）不同加速電壓下電子波的波長（經相對論校正）20u可見光的波長在可見光的波長在3900-76003900-7600之間，

13、在常用的之間，在常用的100-200KV100-200KV加速電壓下，電子波的波長要比可見加速電壓下，電子波的波長要比可見光小光小5 5個數量級個數量級u只要能使加速電壓提高到一定值就可得到很短只要能使加速電壓提高到一定值就可得到很短的電子波。的電子波。u用高壓加速電子就成為近代電鏡的最重要特點，用高壓加速電子就成為近代電鏡的最重要特點，用這樣的電子波作為照明源就可顯著提高顯微用這樣的電子波作為照明源就可顯著提高顯微鏡的分辨率。鏡的分辨率。21那么能不能制造出使電子波聚焦成像的透鏡？那么能不能制造出使電子波聚焦成像的透鏡？ u 電子是帶負電的粒子，在靜電場中會受到電子是帶負電的粒子，在靜電場中

14、會受到電場力的作用，使運動方向發生偏轉，設計電場力的作用，使運動方向發生偏轉，設計靜電場的大小和形狀可實現電子的聚焦和發靜電場的大小和形狀可實現電子的聚焦和發散。散。把把 由靜電場制成的透鏡稱為靜電透鏡由靜電場制成的透鏡稱為靜電透鏡，在電子顯微鏡中，發射電子的電子槍就是利在電子顯微鏡中，發射電子的電子槍就是利用靜電透鏡。用靜電透鏡。靜電透鏡靜電透鏡22u運動的電子在磁場中也會受磁場力的作用發運動的電子在磁場中也會受磁場力的作用發生偏折，從而達到會聚和發散，由磁場制成生偏折，從而達到會聚和發散，由磁場制成的透鏡稱為的透鏡稱為磁透鏡磁透鏡。用通電線圈產生的磁場用通電線圈產生的磁場來使電子波聚焦成像

15、的裝置叫來使電子波聚焦成像的裝置叫電磁透鏡電磁透鏡。 23電磁透鏡電磁透鏡由于靜電透鏡從性能上不如電磁透鏡，所以在目前由于靜電透鏡從性能上不如電磁透鏡，所以在目前研制的電子顯微鏡中都采用電磁透鏡。研制的電子顯微鏡中都采用電磁透鏡。 電磁透鏡電磁透鏡 靜電透鏡靜電透鏡 1.1.改變線圈中的電流改變線圈中的電流強度可很方便的控制強度可很方便的控制焦距和放大倍率焦距和放大倍率1.1.需改變加速電壓才需改變加速電壓才可改變焦距和放大率可改變焦距和放大率2.2.無擊穿，供給電磁無擊穿，供給電磁透鏡線圈的電壓低透鏡線圈的電壓低2.2.靜電透鏡需數萬伏靜電透鏡需數萬伏電壓，常會引起擊穿電壓，常會引起擊穿3.

16、3.像差小像差小3.3.像差較大像差較大24Comparison（1 1）電磁透鏡的聚焦原理）電磁透鏡的聚焦原理電子在磁場中的運動：電子在磁場中的運動：25電子電子磁力線磁力線運動電子在磁場中受到運動電子在磁場中受到LorentzLorentz力作用，其表力作用，其表達式：達式：式中：式中：e-e-運動電子電荷；運動電子電荷； v-v-電子運動速度矢量；電子運動速度矢量； B-B-磁感應強度矢量；磁感應強度矢量； F-F-洛侖茲力洛侖茲力 。 顯然，顯然，F F的方向垂直于矢量的方向垂直于矢量v v和和B B所決定所決定的平面，力的方向可由左手法則確定。的平面，力的方向可由左手法則確定。 26

17、BV-eF（1 1）vBvB，則，則F=0F=0，電子不受磁場力作用，其運動速度，電子不受磁場力作用，其運動速度的大小及方向不變；的大小及方向不變；（2 2）若）若vBvB，即只改變運動方向，不改變運動速度，即只改變運動方向，不改變運動速度，從而使電子在垂直于磁力線方向的平面上做勻速圓周運從而使電子在垂直于磁力線方向的平面上做勻速圓周運動。動。（3 3）若）若v v與與B B既不垂直也不平行，而成一定夾角，則其既不垂直也不平行，而成一定夾角，則其運動軌跡為螺旋線。運動軌跡為螺旋線。2728電電磁磁透透鏡鏡聚聚焦焦原原理理示示意意圖圖1ab29電電磁磁透透鏡鏡聚聚焦焦原原理理示示意意圖圖2c30

18、玻璃凸透鏡聚焦玻璃凸透鏡聚焦電電磁磁透透鏡鏡聚聚焦焦原原理理示示意意圖圖3d31與光學透鏡相似，電磁透鏡的物距、像距與光學透鏡相似，電磁透鏡的物距、像距和焦距三者之間的關系式及放大倍數為：和焦距三者之間的關系式及放大倍數為：1/f=1/L1+1/L2 M=L2/L1 M=f/(L1-f)f焦距；焦距；L1物距；物距；L2像距像距;M放大倍數放大倍數32電磁透鏡的焦距可由下式近似計算電磁透鏡的焦距可由下式近似計算f=KUr/（IN)2K常數；常數；Ur經相對論校正的電子的加速電壓；經相對論校正的電子的加速電壓；（IN)電磁透鏡激磁安匝數電磁透鏡激磁安匝數(勵磁強度，為勵磁強度，為電流強度電流強度

19、I和線圈匝數和線圈匝數N之積）。之積）。33無論激磁方向如何，激磁焦距總是正的。無論激磁方向如何，激磁焦距總是正的。改變激磁電流，電磁透鏡的焦距和放大倍數將改變激磁電流，電磁透鏡的焦距和放大倍數將發生相應改變。發生相應改變。電磁透鏡是一種變焦距或變倍率的會聚透鏡電磁透鏡是一種變焦距或變倍率的會聚透鏡，這是它有別于光學玻璃凸透鏡的一個特點。這是它有別于光學玻璃凸透鏡的一個特點。34（2 2）電磁透鏡的缺陷）電磁透鏡的缺陷 電子波波長很短，在電子波波長很短，在100KV100KV的加速電壓下，電子的加速電壓下，電子波波長為波波長為0.0370.037，用這樣短波長的電子波做顯微鏡，用這樣短波長的電

20、子波做顯微鏡的照明源，的照明源， 根據根據rr0 0=1/2=1/2 顯微鏡的最小分辨率可達顯微鏡的最小分辨率可達0.020.02左右。然而到目前左右。然而到目前為止，電鏡的最佳分辨率仍停留在為止，電鏡的最佳分辨率仍停留在0.01nm0.01nm的水平。的水平。 Why？35l像差分成兩類，即像差分成兩類，即幾何像差幾何像差和和色差色差。l幾何像差幾何像差是因為透鏡磁場幾何形狀上的缺陷而造成是因為透鏡磁場幾何形狀上的缺陷而造成的，幾何像差主要指的，幾何像差主要指球差球差和和像散像散l色差色差是由于電子波的是由于電子波的波長或能量波長或能量發生一定幅度的發生一定幅度的改改變變而造成的。而造成的。

21、 36原因：電磁透鏡存在像差原因：電磁透鏡存在像差a a、球差（球面像差）、球差（球面像差） 球差是由于電磁透鏡中心區域和邊緣區域磁場強度球差是由于電磁透鏡中心區域和邊緣區域磁場強度的差異，從而造成對電子會聚能力不同而造成的。的差異，從而造成對電子會聚能力不同而造成的。 遠軸電子通過透鏡時被折射得比近軸電子要厲害得遠軸電子通過透鏡時被折射得比近軸電子要厲害得多，因而由同一物點散射的電子經過透鏡后不交在一多，因而由同一物點散射的電子經過透鏡后不交在一點上，而是在透鏡像平面上變成了一個漫射圓斑。點上，而是在透鏡像平面上變成了一個漫射圓斑。 最小散焦斑37b.b.像散像散 像散是由于透鏡的磁場軸向不

22、對稱所引起的一種像散是由于透鏡的磁場軸向不對稱所引起的一種像差。磁場不同方向對電子的折射能力不一樣，電子像差。磁場不同方向對電子的折射能力不一樣，電子經透鏡后形成界面為橢圓狀的光束，使圓形物點的像經透鏡后形成界面為橢圓狀的光束，使圓形物點的像變成了一個漫射圓斑。變成了一個漫射圓斑。 38C C、色差、色差 色差是由于成像電子的能量或波長不同而引起的一色差是由于成像電子的能量或波長不同而引起的一種像差。能量大的電子在距透鏡中心比較遠的地點聚種像差。能量大的電子在距透鏡中心比較遠的地點聚焦，而能量較低的電子在距透鏡中心比較近的地點聚焦，而能量較低的電子在距透鏡中心比較近的地點聚焦。結果使得由同一物

23、點散射的具有不同能量的電子焦。結果使得由同一物點散射的具有不同能量的電子經透鏡后不再會聚于一點，而是在像面上形成一漫射經透鏡后不再會聚于一點，而是在像面上形成一漫射圓斑。圓斑。39l由于上述像差的存在，雖然電子波長只有光由于上述像差的存在，雖然電子波長只有光波長的十萬分之一左右，但尚不能使電磁透波長的十萬分之一左右，但尚不能使電磁透鏡的分辨率提高十萬倍。鏡的分辨率提高十萬倍。40a.a.景深景深 透鏡的景深是指在保持像清晰的前提下，試透鏡的景深是指在保持像清晰的前提下，試樣在物平面上下沿鏡軸可移動的距離（或者說樣在物平面上下沿鏡軸可移動的距離（或者說試樣超越物平面所允許的厚度）試樣超越物平面所

24、允許的厚度）。換言之，在景深范圍內，樣品位置的變化換言之，在景深范圍內，樣品位置的變化并不影響物像的清晰度。并不影響物像的清晰度。 41從原理上講，當透鏡的焦距一定時，物從原理上講，當透鏡的焦距一定時，物距和像距的值是確定的，這時只有一層樣距和像距的值是確定的，這時只有一層樣品平面與透鏡的理想物平面相重合。品平面與透鏡的理想物平面相重合。42為什么還存在景深？為什么還存在景深？偏離理想物平面的特點都存在一定程度的失偏離理想物平面的特點都存在一定程度的失焦，它們在透鏡的像平面上將產生一個具有一焦，它們在透鏡的像平面上將產生一個具有一定尺寸的定尺寸的失焦圓斑失焦圓斑。如果失焦圓斑的尺寸不超。如果失

25、焦圓斑的尺寸不超過由衍射效應和像差引起的過由衍射效應和像差引起的散焦斑散焦斑，則不會影，則不會影響電鏡的分辨率。響電鏡的分辨率。 43因為衍射和像差的存在因為衍射和像差的存在如果把透鏡物平面允許的軸如果把透鏡物平面允許的軸向偏差定義為透鏡的景深，用向偏差定義為透鏡的景深，用Df表示。則景深大小表示。則景深大小Df與物鏡的分與物鏡的分辨率辨率r0、孔徑半角、孔徑半角用下式表示：用下式表示： Df 2r0/44上式表明，電磁透鏡的孔徑上式表明，電磁透鏡的孔徑半角越小，景深越大；分辨半角越小，景深越大；分辨率越大，景深越大。率越大，景深越大。 一般電磁透鏡的一般電磁透鏡的102103 rad，因此，

26、因此Df(2002000)r0若若r01nm，則則 Df2002000nm 即電子顯微鏡對于高度相差在即電子顯微鏡對于高度相差在200nm的物體，的物體，可以同時聚焦在成像平面上。可以同時聚焦在成像平面上。45b.b.焦長焦長焦深（或焦長）是指在保持像清晰的前焦深（或焦長）是指在保持像清晰的前提下，像平面沿鏡軸可移動的距離，或者說提下，像平面沿鏡軸可移動的距離，或者說觀察屏或照相底版沿鏡軸所允許的移動距離。觀察屏或照相底版沿鏡軸所允許的移動距離。 46同樣，當透鏡焦距和物同樣，當透鏡焦距和物距一定時，像平面沿軸向一距一定時，像平面沿軸向一定距離內移動，也會引起失定距離內移動，也會引起失焦。但如

27、果所引起的失焦尺焦。但如果所引起的失焦尺寸不大于其他原因所引起的寸不大于其他原因所引起的散焦斑大小，則對透鏡的分散焦斑大小，則對透鏡的分辨率沒有影響。辨率沒有影響。 DL2 r0M2/=DfM247一般的電鏡焦長都超過一般的電鏡焦長都超過10-20cm10-20cm。因此，只要圖象在顯示屏上是清晰的，那么因此，只要圖象在顯示屏上是清晰的，那么在屏的上下在屏的上下10cm10cm范圍放置膠片，得到的圖范圍放置膠片，得到的圖象依然是清晰的。象依然是清晰的。48偏光、反光、錐光偏光、反光、錐光電子衍射裝置、特征電子衍射裝置、特征X X射線波譜射線波譜儀、特征儀、特征X X射線能譜儀、俄歇電子射線能譜

28、儀、俄歇電子譜儀譜儀主要附件主要附件光學透射、反射、干涉像光學透射、反射、干涉像透射電子像、二次電子像、背散透射電子像、二次電子像、背散射電子像、吸收電子像、射電子像、吸收電子像、X X射線面射線面掃描像、掃描像、X X射線線掃描像等射線線掃描像等主要圖象主要圖象彩色或黑白彩色或黑白黑白灰度黑白灰度圖象特點圖象特點機械聚焦機械聚焦電子聚焦、計算機控制電子聚焦、計算機控制聚焦原理聚焦原理10001000倍時倍時0.1um0.1um10001000倍時倍時30um30um景深景深10102000 2000 換鏡頭換鏡頭10101 1百萬百萬, ,連續可調連續可調放大倍數放大倍數可見光區可見光區 200nm200nm紫外光區紫外光區 100nm100nm0.01nm0.01nm分辨率分辨率光學透鏡（玻璃透鏡）光學透鏡（玻璃透鏡）電子透鏡（電磁鐵）電子透鏡（電磁鐵）透鏡透鏡大氣大氣真空真空 10104 410109 9媒介媒介可見光可見光 4000400075007500電子束電子束 波長波長 0.037