电子显微学简介及电子与物质的相互作用
电子 显微镜 原理
电子显微镜原理
电子显微镜是一种利用电子束进行观察和分析样品的仪器。
它的工作原理基于电子的波粒二象性以及它们与物质相互作用的特性。
电子显微镜使用的电子束是由电子枪产生的。
电子枪通过加热阴极，使其释放出电子，并加速这些电子使其具有足够的能量。
然后，电子束通过一系列的电子透镜来聚焦和定位。
最常用的电子透镜是环形磁铁，它利用磁场来聚焦电子束。
在磁铁处，电子束会逐渐变窄，并形成一个细小的束斑。
当电子束射到样品上时，它们会与样品中的原子和分子相互作用。
这种相互作用包括散射、吸收和透射。
通过探测不同的电子与样品相互作用的方式，可以获取关于样品中不同部分的信息。
在电子显微镜中，有两种主要的检测模式：散射模式和透射模式。
在散射模式中，电子束与样品中的原子和分子发生散射，从而产生称为散射电子的次级电子。
这些散射电子被收集并用于生成图像。
透射模式中，电子束通过样品的较薄区域，一部分电子会被样品中的原子和分子散射，另一部分则通过样品。
被透射的电子会通过一系列检测器进行收集和放大，从而形成图像。
通过控制电子束的聚焦和定位，可以实现对不同部分的样品进行观察和分析。
电子显微镜可提供高分辨率的图像，因为电子的波长比可见光的波长小得多。
因此，它可以观察到更小的结
构和更详细的样品特征。
总之，电子显微镜的原理基于利用电子束与样品相互作用并收集和放大透射或散射电子的方式来观察和分析样品。
这样的原理使得电子显微镜在科学研究和工业应用中具有广泛的应用前景。
电子与物质的交互作用
X射线与物质的相互作用
X射线衍射
入射电子 Auger电子
背散射电子
二次电子 X射线
样 品
透射电子
入射电子照射固体时，与固体中粒子的相互作用 包括： （1）入射电子的散射； （2）入射电子对固体的激发； （3）受激发粒子在固体中的传播。
18
一、散射
当一束聚焦电子沿一定方向射到固体上时，在固体原子 的库仑电场作用下，入射电子方向将发生改变，这种现 象称为（电子）散射。 有散射弹性和非弹性散射之分。 原子中的原子核和核外电子对入射电子均有散射作用。
俄歇过程和俄歇电子
各种信息的作用深度
从图中可以看出，俄 歇电子的穿透深度最 小，一般穿透深度小 于1nm，二次电子小 于10nm。
分辨本领
分辨本领的决定因素： ① 入射电子束束斑直径 是分辨本领的极限 ② 入射束在样品中的扩展效应 导致相互作用体积产生，以及信号产生的 深度和广度。
(6) 透射电子(TE)
断口分析
典型的功能陶瓷沿晶断口的二次电 子像，断裂均沿晶界发生，有晶粒拔 出现象，晶粒表面光滑，还可以看到 明显的晶界相。
扫描电子显微镜
Scanning Electronic Microscopy
扫描电子显微镜SEM
利用聚焦电子束在试样上扫描时，激发某些 物理信号，来调制一个同步扫描的显像管， 在相应位置成像。 分辨本领高、M连续可调、样品制备简单。 固体材料表面分析的有效工具。 观察材料断口和显微组织三维形态，进行表 面成分分析。
样品质量厚度越大，TE系数越小，AE系 数越大；BE系数和SE发射系数的和也越 大，达到一定值时，保持定值。
电子显微镜的成像原理及应用
电子显微镜的成像原理及应用引言电子显微镜是研究微观世界的一种重要工具。
电子显微镜利用高速电子束与物质相互作用的原理进行成像，具有高分辨率、大深度、高增强等特点。
电子显微镜已经广泛应用于物理、化学、材料科学、生物学等领域，成为科研中不可或缺的重要仪器之一。
本文将从电子显微镜的成像原理和应用两个方面来进行探讨。
电子显微镜的成像原理电子显微镜的成像原理是利用电子与物质相互作用的本质进行成像。
根据电子束的物理性质，电子显微镜可以分为透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）两种类型。
1.TEM的成像原理透射电子显微镜的成像原理是利用电子在物质中透过和散射的规律进行成像。
电子束照射样品后，会发生透射、散射、反射等现象。
其中，透射电子被样品中原子核和电子云所散射，使被散射电子的方向和传播速率发生变化，形成交叉散射和多次散射。
在透射电子显微镜中，电子束经过样品后，被成像系统所收集，得到的是强度分布图。
通过对强度分布图的分析，我们可以还原得到样品的组成、结构、缺陷和微观形貌等信息。
2.SEM的成像原理扫描电子显微镜的成像原理是利用不同材料对电子的不同散射特性成像。
扫描电子显微镜中，电子束由电子枪发射，经过电子透镜系统加速并聚焦成为很小的电子束，然后，电子束通过样品表面，与样品相互作用，产生了二次电子、退火电子、背散射电子等电离粒子，这些电离粒子产生的信号经过检测和预处理后可形成像。
通过Si(Li)和NaI(TI)等探测器的辐射测量，我们可以将这些像转化为电信号，进而进行成像。
电子显微镜的应用电子显微镜在研究微观世界、分析材料的结构、形貌和性质方面已经得到广泛应用。
1.材料科学领域的应用电子显微镜在材料科学领域的应用有很多。
通过电子显微镜的成像技术，我们可以了解材料的孔洞结构、晶格结构、的缺陷、组成、性质等方面的信息。
同时，电子显微镜还可以研究材料的晶体生长、相变、热力学性质等方面的行为，为制备新材料提供了重要的研究支持。
材料科学中的电子显微学
材料科学中的电子显微学电子显微学是一种用电子束代替光束进行成像的科学技术。
在材料科学中，电子显微学被广泛运用于研究材料的微观结构、成分和性能等方面。
一、传统电子显微学传统的电子显微学主要有两种方式，分别是透射电子显微镜和扫描电子显微镜。
透射电子显微镜可以在纳米尺度下进行成像和分析，因此被广泛用于研究材料的晶体结构、缺陷和催化反应等方面。
扫描电子显微镜则可以获得高分辨率的表面形貌和化学成分信息，因此被广泛运用于表面和界面的研究，如氧化物表面的催化性能和生物界面的相互作用等。
二、高分辨率电子显微学高分辨率电子显微学是电子显微学的一种进阶形式，采用的是高能电子束，可以得到更高的分辨率和更丰富的信息。
目前，高分辨率电子显微学已经在材料科学和纳米技术等领域得到广泛应用。
三、透过电子显微学研究材料的晶体结构透射电子显微学可以在几十纳米以下的尺寸范围内，直接观察到材料的晶体结构。
结合计算方法，可以进一步确定晶体结构的参数和缺陷。
通过对材料晶体结构的理解，可以更好地设计和制备具有特定性能的材料。
四、透过电子显微学研究材料的性能在材料科学中，性能是最重要的因素之一。
透射电子显微学可以直接观察到材料的微观结构和组成，对材料的性能起着非常关键的作用。
通过电子显微学技术的应用，可以研究材料的机械性能、光学性能、电学性能等，为探索新的材料性能提供重要的参考。
五、扫描电子显微学研究表面形貌和化学成分扫描电子显微学可以得到高分辨率的表面形貌和化学成分信息，对研究表面和界面性质非常重要。
扫描电子显微学广泛用于材料的表面形貌、晶体生长、腐蚀和涂层等方面的研究。
六、高分辨率扫描电子显微学和原子力显微镜在表面和界面研究中的应用高分辨率扫描电子显微学和原子力显微镜是两种非常强大的表面和界面研究工具，能够获得高分辨率的表面形貌、物理和化学性质等信息。
这两种技术广泛用于研究材料和生物领域中的表面和界面，如金属表面的腐蚀和保护、生物分子的相互作用等。
电子显微学技术与应用
电子显微学技术与应用电子显微学技术是一种革命性的科学技术，利用精密的电子设备和高科技的实验室技术，对物质的微观结构进行分析和观察。
这项技术的应用范围非常广泛，包括材料科学、生物学、纳米技术、物理学等多个领域。
本文将从电子显微学技术的基本原理、应用场景和技术趋势三方面，进行较为系统和全面的介绍。
一、电子显微学技术的基本原理电子显微学技术是通过聚焦电子束对样品进行扫描或投射，使用电子信号来成像的一种技术，早在1931年就被发明。
在技术上，电子显微学技术以扫描电子显微镜和透射电子显微镜为代表。
扫描电子显微镜（SEM）主要是将电子束在样品表面进行扫描并得到它表面的图像。
透射电子显微镜（TEM）则主要是将电子束投射穿过样品，在出射端得到样品的内部结构图像。
SEM大多数用于原位成像，TEM主要用于研究材料的内部和光学性质。
二、应用场景1.材料科学在材料科学中，电子显微学技术是非常重要的应用技术之一。
如今，使用电子显微学技术进行纳米材料的半导体、陶瓷和复合材料和功能材料等的研究已经成为材料科学中的常见实验。
通过电子显微镜对材料进行观察，科学家们可以研究材料的结构、形态和成分等，进而设计出更加优良的材料和制备加工工艺。
例如，电子显微学技术的应用也在过程中产生了新的量子纳米材料，包括异质结构、无定形体、双异能量量子点和量子点阵列等。
2.生物学在生物学领域，电子显微学技术已被广泛应用于细胞学和分子生物学的研究。
SEM和TEM可以帮助科学家们观察到细胞、组织和器官的微观结构，对于遗传信息被编码和传递的方式、细胞功能和互作机制等方面的问题的探究提供了有益的信息和数据支持。
与其他高精度成像技术相比，电子显微学技术最大的优势在于能够获得非常高分辨率的图像，如由于可以控制电子束聚焦和电子束的观察角度等参数，甚至可以得到非常清晰的原子水平的图像。
3.纳米技术随着纳米技术的不断发展和应用，电子显微技术在纳米材料和纳米器件的研究中，也成为了重要的科研手段。
物理学中的电子显微镜
物理学中的电子显微镜电子显微镜是物理学中一种重要的实验工具和研究手段。
它利用电子束取代光线来观察微观领域的物质结构和样貌，具有高分辨率、高放大倍数等优势。
本文将介绍电子显微镜的原理及其在物理学中的应用。
一、电子显微镜的原理电子显微镜是利用电子束与物质相互作用产生的信号来获得样品图像。
它包含了电子源、透镜系统和检测器等主要部分。
1. 电子源：电子显微镜的电子源一般采用热阴极或场发射电子枪。
热阴极电子枪利用加热的钨丝产生电子束，而场发射电子枪则利用高电场使电子从钨丝表面剥离出来。
这些电子束会经过一系列的透镜和加速电压控制，形成较窄的束流。
2. 透镜系统：透镜系统包括了几个重要的透镜，如聚焦透镜、减缩透镜和阴影补偿电子透镜。
这些透镜通过对电子束的聚焦、减缩和校正等操作，使电子束通过样本后能够得到清晰的图像。
3. 检测器：电子束通过样品后，与样品中的原子和分子相互作用，产生了多种信号，如散射电子、透射电子、荧光X射线等。
这些信号会被检测器捕捉并转化为电信号，再经过处理后形成最终的图像。
通过以上的原理，电子显微镜能够在纳米甚至亚纳米尺度下观察到样品的微观结构和形貌，为物理学的研究提供了重要的实验数据。
二、电子显微镜在物理学中的应用电子显微镜作为物理学中必不可少的实验工具和研究手段，广泛应用于许多领域。
1. 材料科学：材料的物理性质与其微观结构密切相关。
电子显微镜能够观察到材料的晶格结构、晶界、缺陷和相界等微观结构信息，为材料科学研究提供了重要的数据。
例如，通过电子显微镜的观察，科学家们可以研究材料的纳米颗粒形态及大小分布，探索材料的磁性、热性能等特性与微观结构之间的关系。
2. 生物学：电子显微镜在生物学研究中也起到了重要的作用。
通过电子显微镜的观察，科学家们可以观察到生物细胞、细胞器官、分子结构等微观领域的细节。
例如，电子显微镜在病毒研究中的应用，可以帮助科学家们观察到病毒的形态特征、感染机制等，从而为病毒学研究提供了可靠的实验数据。
电子行业电子显微技术
电子行业电子显微技术导言电子行业是现代科技领域的重要组成部分，而电子显微技术作为电子行业中的重要分支，在电子制造、电路设计和故障排除等方面扮演着关键角色。
本文将介绍电子显微技术的基本概念、应用领域以及未来发展趋势。
一、电子显微技术的概念电子显微技术是利用电子束、电子透射、电子扫描等原理和技术，对物质的微观结构进行观察、分析和研究的一种技术手段。
与传统光学显微镜不同，电子显微技术具有更高的分辨率和更大的深度观察范围，能够观察到更细微的细节和更复杂的结构，对于电子行业中微观器件的设计、制造和故障排查具有重要意义。
二、电子显微技术的应用领域1. 电子器件制造电子显微技术在电子器件制造过程中起到举足轻重的作用。
通过电子显微技术，可以观察到电子器件的微观结构，例如集成电路中的晶体管、电容器和电感器等。
通过对电子器件的微观结构进行分析，可以优化器件的设计和制造过程，提高器件的性能和可靠性。
2. 电路设计在电路设计过程中，电子显微技术可以帮助工程师观察电路中的微观结构和电信号传输的路径。
通过观察电路中的微观结构，可以发现潜在的电路设计缺陷和电信号传输问题，提前解决这些问题，确保电路的性能和可靠性。
3. 故障排除当电子器件或电路发生故障时，电子显微技术可以帮助工程师准确定位故障点，并观察到故障的具体原因。
通过观察故障点的微观结构和电信号传输的路径，工程师可以找到故障的根源，并采取相应的修复措施，提高故障排除的效率和准确性。
三、电子显微技术的发展趋势1. 电子显微技术的分辨率不断提升随着电子器件和电路的尺寸越来越小，对于电子显微技术的分辨率提出了更高的要求。
未来，电子显微技术将不断发展，提高分辨率，以便观察到更小的结构和更细微的细节。
2. 电子显微技术与人工智能的结合人工智能在电子行业中的应用越来越广泛，而电子显微技术也可以与人工智能结合，提高观察和分析的效率。
通过将电子显微图像与人工智能算法相结合，可以实现对图像的自动识别、分析和处理，进一步提高对物质微观结构的理解和利用。
电子显微分析简述
电子显微分析在材料研究中的应用
1、形态分析 2、元素的存在状态分析 3、玻璃的非晶态结构分析 4、材料断面的研究 5、晶界（微观研究） 6、微区结构分析 7、高分子材料的研究 8、………………….等等
电子与固体物质相互作用的物理信号
总结如下：
1、背散射电子 2、二次电子 SEM TEM EPMA
煤灰/硫化物混合颗粒的TEM图象
海盐气溶胶颗粒；匈牙利上空大陆大气层中收集到的煤灰/硫化 物混合颗粒
沙尘暴的矿物颗粒
生物磁铁矿晶体的完好晶形 （TEM照片）
Bi－系超导氧化物的堆积缺陷层调整 Stacking fault（堆垛层错） Layer modulation（层状调制结构）
Back to
矢量与r不垂直。这时g的端点落在第非零层倒易点平面。
与 ruvw 的关系示意图 ruvw
非零层倒易面
g g
零层倒易面
晶体对电子的衍射现象，可用布拉格定律来描 述
2dhkl sinθ = n λ 又等价于衍射方程
k´-k=g
θ sample
Beam
θ g k k′
4. 倒易点阵与电子衍射图的关系
塑料一级复型图像衬度
二
衍射衬度
衍射衬度是来源于晶体试样各部分满足布拉格反射条 件不同和结构振幅的差异。
明场像 上述采用物镜光栏将衍射束挡掉，只让透射束 通过而得到图象衬度的方法称为明场成像， 所得的图象称为明场像。 暗场像 用物镜光栏挡住透射束及其余衍射束，而只让 一束强衍射束通过光栏参与成像的方法，称 为暗场成像，所得图象为暗场像。
O O / O* G 50
在这个平面内的低指数倒易点 都落在反射球上
5. 倒易阵点的权重---结构振幅(结构因数)
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• 表面形态 • 磁畴结构 • 磁畴结构，晶体势，样品
厚度 • 元素分布
表征内容 • 组成元素及分布 • 电子状态 • 晶体对称性 • 物相鉴定 • 原子排列 • 晶体结构与缺陷 • 磁畴结构 • 界面结构 • 晶体取向
分析方法
• X 射线能谱，电子能 量损失谱， Z-衬度像， 能量过滤像
材料成份测定 •X-射线能谱； •电子能量损失谱。
磁畴结构的表征 •洛伦次电子显微方法； •电子全息。
材料结构与性能的关系
• 材料中原子的排列方式决定了晶体的相结构，原子 排列方式的变化导致了相结构得变化，
• 材料的物理、化学性能与材料中原子的排列方式有 直接的对应关系：
1. 面心立方合体心立方结构的铁有完全不同的磁性。 2. α、γ、ξAl2O3由于结构不同，其性质不同。 3. 晶态和非晶态合金有着完全不同的力学性能、抗腐
本次内容
• 电子显微学简介及电子与物质的相互作用
电子显微镜的发展史回顾
1986年诺贝尔将委员会把物理奖的一半颁发给 E.Ruska:”为了他在电子光学基础研究方面的贡 献和设计出第一台电子显微镜.” Ruska-1928-1930用磁透镜将金属网放大13倍 实现电子显微成像。(柏林高工） 1930-1933 与Von Borries 制造了第一台电子 显微镜。（西门子） M.RÜdenberg-1931.5.28向德、法、英等国申请 电子显微镜专利（凭理论推测），1932年12月 和1936年10月获得法、英的批准，1953年获 得西德的批准。电子显微镜一词首先出现在 RÜdenberg的专利中。
1956年Menter得到酞氰铂和酞化氰铜的点阵平面 条纹像（1纳米）。 1967年Allpress和Sanders得到分辨率为0.7纳米 的氧化物的像。
1971年Iijima高分辨观察到氧化铌中金属原子的分 布（~0.3纳米），标志高分辨像与晶体结构对应 关系的产生。
目前，电子显微镜的分辨率接近0.1纳米。
电子显微镜在材料研究中发挥的作用
1.位错的观察证实了位错理论的正确性。（衍衬像） 2.准晶的发现扩展了晶体的范畴。（电子衍射） 1992年国际晶体学会重新研究晶体的定义：“晶体 是指任何给出基本上有明确衍射图的固体，而非周 期性晶体是指无周期性的晶体”。 3.纳米碳管的发现引发了纳米材料研究的高潮。 （高分辨像）
作为结构分析手段电子显微镜具有高 空间分辨率和能量分辨率，已成为显 微结构表征和微区成份分析不可缺少 的工具。电子显微镜在材料领域的广 泛对于研究和开发新材料，特别是纳 米材料的开发具有非常重要的作用。
电子与物质的相互作用
电子波
从电子源发出的电子束照射到晶体上，就会从中发
射出一束或几束衍射电子束，与可见光通过光栅的
（埃） 12.26856
V
电子束的波长随电子枪加速电压的增高而减小
目前所使用的透射电子显微镜其电子枪的加速电压 一般都高于100千伏，这时需要对电子的能量和静 止质量引入相对论修正。
eV mc 2 m0c2
m m0
1
V c
2 2
用 m m0 乘前式两边得
m m0 eV m2V 2 P2
材料 ne
na
Ge
4
1
As
5
1
Se
6
1
SiC
8
2
GaAs
8
1
CdTe
8
1
AgInTe2
16
2
PbS
8
1
Mg2Sn
8
1
LiMgSb 8
1
Li3Bi
8
1
Mg3Sb2
16
2
Bi2Te3
24
3
Fe2O3
24
3
BaTiO3
24
3
FeS2
14
2
CdSb
7
1
GaTe
9
1
Na
Ne
4
0
3
0
2
0
4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
• 电子能量损失谱 • 电子衍射 • 高分辨像， X 射线能
谱，电子能量损失谱
• 高分辨像，衍射衬度 像
• 洛伦茨电子显微术， 电子全息
用于材料结构表征电子显微方法
晶体结构的表征
1.电子衍射 • 透射电子衍射; • 反射电子衍射; • 会聚束电子衍射; • 微束电子衍射。
2. 电子显微像 振幅（衍射）衬度像; 明场像; 暗场像； （对中暗场像，弱束暗场像） 高分辨像； Z-衬度像; 能量过滤像； 二次电子像； 电子全息。
衍射或者X射线在晶体中的衍射是完全类似。
电子枪的加速电压为V，电子的能量为eV，电子波
的频率和波长为ν，λ
eV h
P h
eV
1 2
m0 v 2
P m0v
h
2m0eV
普朗克常数=6.6261196x10-27尔格•秒，电子的 静止质量=9.109558x10-28克，电子的电荷量 =4.803250x10-1库伦
蚀性能、磁学性能。 Mooser-Pearson 公式可用来判断材料是否具有半导
体性质
ne na
Na
Nc
8
ne是一分子中的价电子数，na是一分子中的 阴离子数，Na是一个阴离子与其它阴离子之 间的平均键数，Nc是一个阳离子与其它阳离 子之间的平均键数。ne和na由已知的化学成 份得到，Na和Nc必须有晶体结构确定。
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
ne/na+Na-Ne
8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8
另外，材料中缺陷对材料性能的影响也是非常 大的，如位错使金属材料的强度下降一个量级。 材料的性质依赖于相结构是材料科学中的基本 概念。材料的结构是材料性能的载体。因此， 对材料显微结构的表征是研究材料性能的主要 方法，已成为材料科学的一个不可缺少的重要 环节。
电子显微学方法和获得的信息
方法 • 电子衍射
• 质（量）厚（度）衬度像 和高分辨像
• X 射线能谱
• 电子能量损失谱
• 二次电子像 • 洛伦茨电子显微术 • 电子全息 • Z-衬度像 • 能量过滤像
可获得信息 元素种类，分布，样品厚 度
h
h
(m m0 )eV
2m0eV
(1
eV 2m0 c 2
)
[1
eV 2m0 c 2
]1/ 2
是相对论修正因子，当加速电压为100 和200千伏时，电子波长的变化约为
5%和10%
加速电压（伏）电子束波长 相对论修正波 波矢长度（埃
（埃）
长（埃）
-1）
1 10 100 1000 10000 50000 100000 1000000