材料电子显微学

第一章 复习题：

1.什么是轴对称场？为什么电子只有在轴对称场中才被聚焦成像？

所谓轴对称场，是指在这种场中，电位的分布对系统的主光轴具有旋转对称性。

非旋转对称磁场在不同方向上对电子的汇聚能力不同，因此不能将所有电子汇聚在轴上的同一点，会发生象散。 2.磁透镜的象散是怎样形成的？如何加以矫正？

像散是由于透镜磁场的非旋转对称而引起的。极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、制作极靴的材料材质不均匀以及极靴孔周围局部污染等原因，都会使电磁透镜的磁场产生椭圆度。透镜磁场的这种非旋转对称，使它在不同方向上的聚焦能力出现差别，结果使物点P通过透镜后不能在像平面上聚焦成一点。

像散可通过消像散器补偿。

3.什么是透镜畸变？为什么电子显微镜进行低倍率观察时会产生畸变？如何矫正 ？

透镜的畸变是由球差引起的，像的放大倍数将随离轴径向距离的加大而增加或减小。

当透镜作为投影镜时，特别在低放大倍数时更为突出。因为此时在物面上被照射的面积有相当大的尺寸，球差的存在使透镜对边缘区域的聚焦能力比中心部分大。反映在像平面上，即像的放大倍数将随离轴径向距离的加大而增加或减小。

可以通过电子线路校正：使用强励磁，使球差系数Cs显著下降；在不破坏真空的情况下，根据放大率选择不

透射电子显微学考题

(1)最常用的两种透射电镜工作模式图（像模式和衍射模式）？ 100kev, 200keV, 300 keV, 400 keV的电子波长？

(2)电子和物质的相互作用分几种散射？电子和薄样品如何作用？电子和厚样品如何作用？非弹性散射和弹性散射的角度一般是多少？何种角度弹性散射容易变为非相干的？样品变厚，前-背散射的份额如何变化？薄样品的TEM中，假定最多只有几次散射发生？TEM像由何种电子所成？ (3)电子散射和X-射线散射的机制和强度对比区别？ (4)非晶衍射？多晶衍射？单晶衍射的特征

(5)透射电镜中的几种主要像差是什么？它们的来源是什么？ (6)在倒格子空间中，画出电子衍射公式表示的含义？ (7)bcc和fcc衍射消光条件的结构因子推导过程？

(8)画出fcc [110]和[111] 带轴的衍射示意图（标衍射点），说明角度来源。

(9) 请说明图A中的衍射细节来源

(10) 根据fcc结构的菊池线和衍射带轴，标出下图中的衍射点

(11)

请给出以下Si[110]高分辨图像的标度(放大倍数), 两个最密排晶面.

12，为什么用电子来观察 13，什么是分辨率

14，电子与物质如何作用 15，什么是场深 16，什么是衍射

第三章 透射电子显微镜分析§3.1概述一、光学显微镜的局限性L D B2 d O1 O2 B1 d

强度

由于光的衍射，光学显 微镜其最大的分辨能力为 d = 0.61 λ ≈ 1 λ nsin α 2 对于可见光的波长在390 ~ 770nm之间，n值最大只能达到 1.5~1.6,可得光学显微镜其最大的分辨能力为0.2µm

§3.1概述一、光学显微镜的局限性 于是，人们用很长时间寻找波长短，又能聚焦成像的光波。 γ射线→ X 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波 利用紫外线，强烈地吸收；γ射线、X 射线没有办法使其聚焦 二、电子的波动性及波长 1897年，Thomson发现了电子。 1925年，De Broglie提出物质波的假设，即电子具有微粒 性， 也具有波动性。 1927年， Thompson and Reid 进行了电子衍射实验。

§3.1概述二、电子的波动性及波长 根据De Broglie物质波的假设，电子波长为。

考虑相对论效应 U = 100 kV时， λ = 0.00386 nm 电子衍射实验。

§3.1概述二、电子的波动性及波长 1926年，Busc

透射电子显微分析是利用透射电子对试样的显微形貌和显微结构进行分析的一种方法，是材料测试的一种重要手段。 本节主要内容

一. 透射电镜的结构

透射电镜的结构: 电子照明系统,成像放大系统, 图像显示及观察记录系统,样品室和样品台, 真空系统, 电气系统

二. 透射电镜的主要性能指标

（一）分辨率

分辨率是透射电镜的主要性能指标，它表征透射电镜显示超显微结构细节的能力。透

射电镜的分辨率用两种指标表示：即点分辨率和线分辨率。点分辨率表示电镜能分辨的两个点之间的最小距离，线分辨率是指电镜能分辨的两条线之间的最小距离。目前，透射电镜的点分辨率为2.04?，线分辨率为1.04?。

（二）放大倍数

普通透射电镜的放大倍数变化范围为100倍~80万倍，并连续可调。超级电子显微镜的放大倍数可达1500万倍。 （三）加速电压

加速电压是指电子枪的阳极相对于阴极的电位差。它决定电子枪发射电子的波长和能量。加速电压高，电子束的能量大，穿透能力强，可以观察较厚的试样。普通透射电镜的最高加速电压为100~200KV。超高压透射电镜的加速电压高达3000KV。 三. 透射电镜图像的衬度 透射电镜的电子图像是由于透过试样各点参与成像的电子强度不同所造成的。透射电镜

的图像

应用例

实2在0006倍观下碳酸测粉钙末在1900倍下对P8VC糊脂树 行观近测

描扫镜电ScaninngE lectornMicroan lyzera

扫 描

电 镜的 SEM(基 本 ) 理原SEM

扫

描电的镜大特点★最焦大，深像图有富体立感，别适特于表合面形 的研究 貌放大★倍数范围，广从十几倍2万倍，几到乎盖覆了光学显 微和镜ETM范围的 制★简单样样，品电的子损伤 这小些面优于T方EM,以所SE成M为高子材料 分用的常要剖析重段

手S

EMTE与M的主区别★在原要理上S,EM是用透不电子射成，像是 而用二电次加子背景射散子电成像。★ 在器仪造上构除了，光源、空系真相统外似 检测，系完全统同。不

扫电镜描(EMS)SME分的率辨要受主到子束直电的限径， 这里制子电直束径的指聚焦后扫描是样在上的照品 射的尺寸点。

对同样距的二个颗粒，品子束电直越径， 越小得随好的分辨到效果。但子电直束径小，信 越噪越小 。

比扫

电镜(SE描)M辨分率ES的分M辨率要受主到子束电径的限制，这直 里子电束直径指是的聚焦扫后描在品上样照射的 点尺的寸。对样品同距的个颗二，电粒子束直径 小，越越得随到的分好效果辨电子，直束越小径， 噪信越比 。小

大倍数放EM的S放倍大数屏幕分与

材料结构分析

一、名词解释： 球差 景深 分辨率 明场像 暗场像 消光距离 菊池花样 衍射衬度 双光束条件 电子背散射衍射 二次电子 背散射电子 二、简答

1．透射电镜主要由几大系统构成?各系统之间关系如何? 2．照明系统的作用是什么?它应满足什么要求? 3．成像系统的主要构成及其特点是什么? 4．分别说明成像操作与衍射操作时各级透镜(像平面与物平面)之间的相对位置关系，并画出光路图。 5．说明多晶、单晶及非晶衍射花样的特征及形成原理。

6．制备薄膜样品的基本要求是什么?具体工艺过程如何?双喷减薄与离子减薄各适用于制备什么样品?

7．什么是衍射衬度?它与质厚衬度有什么区别?

8．画图说明衍衬成像原理，并说明什么是明场像，暗明场像。

9．什么是消光距离?影响晶体消光距离的主要物性参数和外界条件参数是什么? 10．衍衬运动学的基本假设及其意义是什么?怎样做才能满足或接近基本假设? 11．举例说明理想晶体衍衬运动学基本方程在解释衍衬图像中的应用。 12．什么是缺陷不可见判据?如何用不可见判据来确定位错的布氏矢量?

13．写出电子束入射固体晶体表面激发出的三种物理信号，它们有哪些特点和用途? 14．扫描电镜的成像原理与透射电镜有何不同

电子显微镜

显微分析技术 电子显微镜 Technology for Microscopy Analysis ----Electron Microscope一束电子射到试样上，电子与物质相互作用，当 电子的运动方向被改变，称为散射。

弹性散射 散射

电子只改变运动方向而电子的 能量不发生变化

非弹性散射 电子的运动方向和能量都发生变化

电子显微镜

电子显微镜

直接透射电子，以及弹性或非弹性散射的透射 透射电子 电子用于透射电镜(TEM)的成像和衍射◆

如果入射电子撞击样品表面原子的外层电 子，把它激发出来，就形成低能量的二次电子， 在电场的作用下它可呈曲线运动，翻越障碍进 入检测器，使表面凹凸的各个部分都能清晰成 像。 二次电子 ◆ 二次电子的强度主要与样品表面形貌有关。 二次电子和背景散射电子共同用于扫描电镜 (SEM)的成像。 ◆ 当探针很细，分辨高时，基本收集的是二 次电子而背景电子很少，称为二次电子成像 (SEI)

电子显微镜

如果入射电子把样品表面原子的内层电子撞 出，被激发的空穴由高能级电子填充时，能 特征X射线 量以电磁辐射的形式放出，就产生特征X射线， 可用于元素分析。 如果入射电子把外层电子打进内层，原 俄歇 子被激发了.为释放能量而电离出次外层

扫描电子显微镜

扫描电子显微技术与X 扫描电子显微技术与X 射线显微分析(Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis) X报告人： 肖江群

扫描电子显微镜

扫描电子探针显微技术与X射 线显微分析 定义与历史回顾 显微分析的基本原理 几个重要的概念 仪器与装置(组图) 定性X射线显微分析 定量X射线显微分析 扫描电镜和X射线显微分析的样品制备 技术应用前景

扫描电子显微镜

探针微区分析的定义所谓的电子探针分析就是利用电子轰击待研究的 试样来产生X射线，根据X射线中谱线的波长和强 度鉴别存在的元素并算出其浓度。 在做定性分析时用X射线谱仪在有关谱线可能出 现的波长范围内把谱线纪录下来。然后对照波长 表，定量分析时把试样的X射线强度与标样的对 比，并作一些校正就可以算出分析点上的成分含 量。

扫描电子显微镜

历史回顾 把特征X 把特征X线用于分析化学的想法可以追溯 到Moseley(1913~1914)。1920年至1930年， Moseley(1913~1914)。1920年至1930年， 由于X 由于X线谱学与原子结构有关引起了一些科 学家的注意，他们详细地研究了特征

材料结构分析

一、名词解释：

球差:球差是由于电磁透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能力不同而造成的。

色差：由于入射电子波长（或能量）不同造成的。

景深：指在保持像清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离，或者说试样超越物平面所允许的厚度。

焦深（焦长）：指在保持像清晰的前提下，像平面沿镜轴可移动的距离，或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。

分辨率：成像物体上能分辨出的两个物点的最小距离 明场像：让投射束通过物镜光阑所成的像 暗场像：仅让衍射束通过物镜光阑所称的像 消光距离：符合布拉格条件时透射波与衍射波之间能量交换或强度振荡的深度周期。

菊池花样：在稍厚的薄膜试样中观察电子衍射时，经常会发现在衍射谱的背景衬度上分布着黑白成对的线条。这时，如果旋转试样，衍射斑的亮度虽然会有所变化，但它们的位置基本上不会改变。但是，上述成对的线条却会随样品的转动迅速移动。这样的衍射线条称为菊池线，带有菊池线的衍射花样称之为菊池衍射谱。 衍射衬度：衍射衬度是由于晶体薄膜的不同部位满足布拉格衍射条件的程度有差异而引起的衬度

双光束条件：假设电子束穿过样品后，除了透射束以外，只存在一束较强的衍射束精确地符合布拉格条件，而其它的衍射束都大大偏离布

电子显微分析复习提纲

1. 何为电磁透镜？理解并掌握电子在磁场中的运动规律，能够作图说明之。

：把电磁线圈所产生的磁场所构成的透镜成为电磁透镜，电子在磁场中以圆锥螺旋近轴运动聚焦。

2. 电磁透镜的像差有哪些？它们是如何产生的？如何消除和减小？ ：几何像差和色散。几何像差分为球差和像散。

球差：因电磁透镜中心区和边缘区对电子折射能力不同造成的。

减小CS值和减小孔径角a。

像散：由透镜磁场的非旋转对称引起的。主要原因极靴内孔不远，极靴上下轴线错位，极靴材料不均匀，极靴孔污染。措施：消像散器。 色差：入射电子的波长或能量的非单一性造成的。 主要原因：加速电压不稳，电子与样品的非弹性散射 措施：稳定加速电压，样品厚度做薄，减小孔径角。

3. 影响电磁透镜景深和焦长的主要因素是什么？景深和焦长对透射电子显微镜的成像和设计有何影响？

：景深：保持像清晰情况下，允许物平面沿透镜主轴一定的距离。

电磁透镜分辨率和孔径角。

焦长：固定物距和焦距，像平面沿透镜主轴移动时，仍能保持像清晰的距离

范围。分辨率，孔径角，透镜放大倍数。

对设计的影响：景深越大，焦长越长，可以使投射电镜成像更方便，而且电镜设计荧光屏和相机位置非常方便。

对成像的影响：物镜：强励磁短焦距，