41电子显微分析概论解析.pptx

第四章第四章发育中的拟南芥花芽发育中的拟南芥花芽 扫描电子显微镜拍摄，人工上色，萼片为绿色，花瓣为红色，花药为橙色，柱头扫描电子显微镜拍摄，人工上色，萼片为绿色，花瓣为红色，花药为橙色，柱头未上色。未上色。图为西番莲花粉的扫描电子显微镜照片图为西番莲花粉的扫描电子显微镜照片4.1 引言引言-电子光学基础电子光学基础4.1.1 分辨本领分辨本领 1)1)人的眼睛仅能分辨人的眼睛仅能分辨人的眼睛仅能分辨人的眼睛仅能分辨0.10.2mm0.10.2mm的细节的细节的细节的细节2)2)光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。3)3)用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不可能的，受光学显微镜分辨本领可能的，受光学显微镜分辨本领可能的，受光学显微镜分辨本领可能的，受光学显微镜分辨本领(或分辨率或分辨率或分辨率或分辨率)的限制。的限制。的限制。的限制。分辨本领分辨本领 指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。1、光的折射现象及成像原理、光的折射现象及成像原理ABBA.FFL1L2一个物体可看作是由许多物点所组成，每一个物点散射的光经一个物体可看作是由许多物点所组成，每一个物点散射的光经透镜后都会聚在相应的像点上，许多的像点就构成了物体的像。透镜后都会聚在相应的像点上，许多的像点就构成了物体的像。透镜成像公式：透镜成像公式：放大倍数：放大倍数：2、光的衍射现象和分辨本领的极限、光的衍射现象和分辨本领的极限由于光的衍射，使得由物平面内的点由于光的衍射，使得由物平面内的点A、B在象平面形成一在象平面形成一A、B圆斑，圆斑由具有一定尺寸的中央亮斑及其周围明暗相间的圆斑，圆斑由具有一定尺寸的中央亮斑及其周围明暗相间的圆环组成，称为埃利斑（圆环组成，称为埃利斑（Airy斑）。斑）。Rn透镜物方介质的折射率透镜物方介质的折射率照明光波长照明光波长透镜孔径半角，即入射光束与透镜主轴的夹角；透镜孔径半角，即入射光束与透镜主轴的夹角；nsin nsin 数值孔径数值孔径M M放大倍数放大倍数图（图（1）两个）两个Airy斑斑明显可分辨出。明显可分辨出。图（图（2）两个）两个Airy斑斑刚好可分辨出。刚好可分辨出。图（图（3）两个）两个Airy斑斑分辨不出。分辨不出。R将刚好可分辨出的两将刚好可分辨出的两Airy斑中心间距相应于两个物点间距离斑中心间距相应于两个物点间距离r0定义为显微镜能分辨出的最小距离，此即透镜的分辨本领。定义为显微镜能分辨出的最小距离，此即透镜的分辨本领。一般来说，孔径角较大时为一般来说，孔径角较大时为7075，n约为约为1.5,则则nsin约为约为1.25-1.35,故：故：波长是透镜分辨率大小的决定因素。波长是透镜分辨率大小的决定因素。波长是透镜分辨率大小的决定因素。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透镜的分辨本领主要取决于照明束波长透镜的分辨本领主要取决于照明束波长透镜的分辨本领主要取决于照明束波长。若用波长最短。若用波长最短。若用波长最短。若用波长最短的可见光的可见光的可见光的可见光(=400nm)(=400nm)(=400nm)(=400nm)作照明源，作照明源，作照明源，作照明源，则则则则 d d d d0 0 0 0=200nm=200nm=200nm=200nm 200nm200nm200nm200nm是光学显微镜分辨本领的极限是光学显微镜分辨本领的极限是光学显微镜分辨本领的极限是光学显微镜分辨本领的极限提高透镜的分辨本领：增大数值孔径是困难的和有限的，提高透镜的分辨本领：增大数值孔径是困难的和有限的，唯有唯有寻找比可见光波长更短的光线才能解决这个问题。寻找比可见光波长更短的光线才能解决这个问题。知识补充知识补充2014年诺贝尔化学奖给了三个物理学家：艾力克年诺贝尔化学奖给了三个物理学家：艾力克贝齐格贝齐格（EricBetzig）、斯特凡）、斯特凡W赫尔（赫尔（StefanW.Hell）和）和WE莫纳（莫纳（W.E.Moerner），以表彰他们对于发展超分），以表彰他们对于发展超分辨率荧光显微镜做出的卓越贡献。他们的突破性工作使光辨率荧光显微镜做出的卓越贡献。他们的突破性工作使光学显微技术进入了纳米尺度，从而使科学家们能够观察到学显微技术进入了纳米尺度，从而使科学家们能够观察到活细胞中不同分子在纳米尺度上的运动。活细胞中不同分子在纳米尺度上的运动。贝齐格贝齐格赫尔赫尔莫纳莫纳4.1.2 电子束的波长电子束的波长 比可见光波长更短的有：比可见光波长更短的有：1）紫外线）紫外线 会被物体强烈的吸收；会被物体强烈的吸收；2）X 射线射线 无法使其会聚无法使其会聚；3）电子波）电子波 根据德布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性，也根据德布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性，也具有波动性。电子波具有波动性。电子波 h Plank 常数常数，m v 电子速度电子速度 初速度为初速度为初速度为初速度为0 0 0 0的自由电子从零电位开始运动，因受到加速电压的自由电子从零电位开始运动，因受到加速电压的自由电子从零电位开始运动，因受到加速电压的自由电子从零电位开始运动，因受到加速电压U U U U的的的的作用获得速度为作用获得速度为作用获得速度为作用获得速度为v v v v：1/21/21/21/2mvmvmvmv2 2 2 2=eUeUeUeU 当电子速度当电子速度当电子速度当电子速度v v v v 远远小于光速远远小于光速远远小于光速远远小于光速C C C C 时，电子质量时，电子质量时，电子质量时，电子质量m m m m 近似等于电子静近似等于电子静近似等于电子静近似等于电子静止质量止质量止质量止质量m m m m0 0 0 0，由上述两式整理得：，由上述两式整理得：，由上述两式整理得：，由上述两式整理得：电子波长与加速电压平方根成反比，即加速电压越高，电子电子波长与加速电压平方根成反比，即加速电压越高，电子波长越短，但当电压很高时，电子质量需引入相对论进行校正。波长越短，但当电压很高时，电子质量需引入相对论进行校正。将常数代入上式，并注意到电子电荷将常数代入上式，并注意到电子电荷将常数代入上式，并注意到电子电荷将常数代入上式，并注意到电子电荷 e e 的单位为库仑，的单位为库仑，的单位为库仑，的单位为库仑，h h的单位为的单位为的单位为的单位为JsJs，我们将得到：，我们将得到：，我们将得到：，我们将得到：nmnm 表表表表1 1 不同加速电压下的电子波长不同加速电压下的电子波长不同加速电压下的电子波长不同加速电压下的电子波长 加速电压/kV2030501002005001000电子波长/10-3nm8.59 6.98 5.36 3.70 2.51 1.42 0.687一般电镜的加速电压为一般电镜的加速电压为50200KV,100KV以上的为超高压电镜。以上的为超高压电镜。当加速电压为当加速电压为100kV100kV时，电子束的波长约为可时，电子束的波长约为可见光波长的十万分之一。因此，若用电子束作照见光波长的十万分之一。因此，若用电子束作照明源，显微镜的分辨本领要高得多。但是，电磁明源，显微镜的分辨本领要高得多。但是，电磁透镜的孔径半角的典型值仅为透镜的孔径半角的典型值仅为1010-2-2-10-10-3-3radrad。如。如果加速电压为果加速电压为100kV100kV，孔径半角为，孔径半角为1010-2-2radrad，那么，那么分辨本领为：分辨本领为：d d0 0=0.613.710=0.613.710-3-3/10/10-2-2=0.225 0.225 nmnm4.1.3电磁透镜电磁透镜电镜中用来对电子束聚焦的是电磁透镜，电镜中用来对电子束聚焦的是电磁透镜，简单的电磁透镜简单的电磁透镜就是一个通电的短线圈。就是一个通电的短线圈。通电线圈所产生的磁场对电子束通电线圈所产生的磁场对电子束有聚焦成像的作用。有聚焦成像的作用。其焦点其焦点f为：为：式中，式中，V0-电压；电压；R-透镜半径；透镜半径；I-电流；电流；N-线圈匝数；线圈匝数；A-与透镜结构有关的比例常数与透镜结构有关的比例常数改变电流可以方便调整透镜的焦距，从而使放大倍数发生改变改变电流可以方便调整透镜的焦距，从而使放大倍数发生改变1、电磁透镜的焦距、电磁透镜的焦距电磁透镜结构示意图电磁透镜结构示意图 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。但电磁透镜在成像时会产生置。但电磁透镜在成像时会产生置。但电磁透镜在成像时会产生置。但电磁透镜在成像时会产生像差像差像差像差由于透镜物理条件的由于透镜物理条件的由于透镜物理条件的由于透镜物理条件的限制，所成的像会模糊不清或发生畸变，形成的所有缺陷和限制，所成的像会模糊不清或发生畸变，形成的所有缺陷和限制，所成的像会模糊不清或发生畸变，形成的所有缺陷和限制，所成的像会模糊不清或发生畸变，形成的所有缺陷和偏差统称为像差。偏差统称为像差。偏差统称为像差。偏差统称为像差。像差分为像差分为像差分为像差分为几何像差几何像差几何像差几何像差和和和和色差色差色差色差两类。两类。两类。两类。几何像差几何像差几何像差几何像差：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的像差。：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的像差。：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的像差。：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的像差。主要指球差和像散。主要指球差和像散。主要指球差和像散。主要指球差和像散。色差色差色差色差：由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造：由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造：由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造：由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的像差。成的像差。成的像差。成的像差。2、电磁透镜的像差与分辨本领、电磁透镜的像差与分辨本领 透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有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。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办法。这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。的限制就不容忽略了。（1）球差）球差即球面像差，是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子即球面像差，是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力不符合预定的规律而造成的。离主轴较远的电子的折射能力不符合预定的规律而造成的。离主轴较远的电子比主轴附近的电子被折射程度要大，当物点比主轴附近的电子被折射程度要大，当物点P通过透镜成像通过透镜成像时，电子就不会聚到同一焦点上，而形成一个散焦斑。时，电子就不会聚到同一焦点上，而形成一个散焦斑。得到的最小散焦斑的半径用得到的最小散焦斑的半径用Rs表示。若把表示。若把Rs除以放大倍数，就可以除以放大倍数，就可以把其折算到物平面上去，大小为：把其折算到物平面上去，大小为：也就是说，当物平面上两点距离小于也就是说，当物平面上两点距离小于2rs时，则透镜不能分辨。时，则透镜不能分辨。rs可通过下式计算：可通过下式计算：Cs为球差系数，为球差系数，为孔径半角。为孔径半角。采用小孔径成像是减少球差的有效途径。采用小孔径成像是减少球差的有效途径。(2)(2)(2)(2)色差：色差：色差：色差：是由于入射电子波长（或能量）的非单一性造成。是由于入射电子波长（或能量）的非单一性造成。是由于入射电子波长（或能量）的非单一性造成。是由于入射电子波长（或能量）的非单一性造成。电子束的能量变化率取决于加速电压的电子束的能量变化率取决于加速电压的稳定性和电子穿过样品时发生非弹性散稳定性和电子穿过样品时发生非弹性散射的程度。射的程度。（3 3）电磁透镜的分辨本领）电磁透镜的分辨本领电磁透镜的分辨本领由衍射效应和球面像差来决定电磁透镜的分辨本领由衍射效应和球面像差来决定。衍射效应对分辨本领的影响：衍射效应对分辨本领的影响：r0=0.61/Nsin球差对分辨率的影响：球差对分辨率的影响：必须确定一个最佳孔径半角，使得衍射效应必须确定一个最佳孔径半角，使得衍射效应Airy斑和球差散焦斑斑和球差散焦斑尺寸大小相等时，表明两者对透镜分辨本领影响效果一样。尺寸大小相等时，表明两者对透镜分辨本领影响效果一样。目前电镜的最佳分辨本领达到了目前电镜的最佳分辨本领达到了0.1nm数量级。数量级。3、电磁透镜的景深和焦长、电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的特点是景深大（场深），焦长很长。电磁透镜的特点是景深大（场深），焦长很长。电磁透镜的特点是景深大（场深），焦长很长。电磁透镜的特点是景深大（场深），焦长很长。透镜的景深是指在保持像清晰的前提下，试样在物平面透镜的景深是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上下沿镜轴可移动的距离Dr。换言之，在景深范围内，。换言之，在景深范围内，样品位置的变化并不影响物像的清晰度。样品位置的变化并不影响物像的清晰度。从原理上讲，当透镜焦距、像距一定时，只有一层样品从原理上讲，当透镜焦距、像距一定时，只有一层样品平面与透镜的理想物平面重合，能在透镜像平面上获得平面与透镜的理想物平面重合，能在透镜像平面上获得该层平面的理想图象，而偏离理想物平面的物点都存在该层平面的理想图象，而偏离理想物平面的物点都存在一定程度的失焦，他们在透镜像平面上将产生具有一定一定程度的失焦，他们在透镜像平面上将产生具有一定尺寸的失焦圆斑，如果失焦圆斑尺寸不超过由衍射效应尺寸的失焦圆斑，如果失焦圆斑尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么对透镜像分辨本领并不产生和像差引起的散焦斑，那么对透镜像分辨本领并不产生影响。影响。Dr与电磁透镜分辨率与电磁透镜分辨率 r0、孔径半角、孔径半角之间的关系：之间的关系：取取r0=1nm,=10-210-3rad则则Dr=2002000nm试样（薄膜）一般厚试样（薄膜）一般厚200300nm，上述景深范围可，上述景深范围可保证样品整个厚度范围内各个结构细节都清晰可见。保证样品整个厚度范围内各个结构细节都清晰可见。蓝宝石衬底表面形貌观察蓝宝石衬底表面形貌观察 表面三维岛状结构焦长：焦长：焦长：焦长：指物点固定不变（物距不变），在保持成像清指物点固定不变（物距不变），在保持成像清指物点固定不变（物距不变），在保持成像清指物点固定不变（物距不变），在保持成像清晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定的轴向距当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定的轴向距当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定的轴向距当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定的轴向距离内移动，也会引起失焦。如果失焦尺寸不超过由衍离内移动，也会引起失焦。如果失焦尺寸不超过由衍离内移动，也会引起失焦。如果失焦尺寸不超过由衍离内移动，也会引起失焦。如果失焦尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的轴射效应和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的轴射效应和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的轴射效应和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的轴向距离内移动，对透镜像分辨率并不产生影响。向距离内移动，对透镜像分辨率并不产生影响。向距离内移动，对透镜像分辨率并不产生影响。向距离内移动，对透镜像分辨率并不产生影响。因此，当用倾斜观察屏观察像时，以及当照相底片不位于观察因此，当用倾斜观察屏观察像时，以及当照相底片不位于观察屏同一像平面时，所拍摄的像也是清晰的。投影仪的投影平面屏同一像平面时，所拍摄的像也是清晰的。投影仪的投影平面之所以对距离要求不严也是由于焦长很大的缘故。之所以对距离要求不严也是由于焦长很大的缘故。DL与电磁透镜分辨率与电磁透镜分辨率 r0、像点所张的孔径半角、像点所张的孔径半角之间的关系：之间的关系：其中，其中，M为透镜的放大倍数为透镜的放大倍数4.1.4电子束与固体物质间的相互作用电子束与固体物质间的相互作用电子束与物质相互电子束与物质相互作用产生的信号图作用产生的信号图