第1章电子光学基础

1.1分辨率

1.2磁透镜的聚焦原理

1.2.1电子在均匀磁场中的运动

1.2.2短磁透镜

1.2.3磁透镜的设计

1.3电子光学作图成像法

1.4电子透镜的像差

1.4.1球差

1.4.2畸变

1.4.3像散

1.4.4色差

1.5磁透镜的理论分辨率

第2章透射电子显微镜

2.1透射电子显微镜发展简史

2.2透射电子显微镜的基本结构

2.3照明系统

2.3.1电子枪

2.3.2照明系统和偏转系统

2.4成像系统

2.4.1透射电镜的成像原理

2.4.2物镜

2.4.3中间镜和投影镜

2.5像的观察与记录系统

2.5.1荧光屏

2.5.2照相底片

2.5.3视频摄像机

2.5.4慢扫描CCD照相机

2.5.5成像板

2.6试样台和试样架

2.7透射电镜的真空系统

2.8透射电镜的电子部分和其他部分

2.9电子显微镜的合轴调整

2.9.1照明系统的合轴与消像散

2.9.2成像系统的合轴与消像散

2.9.3物镜聚焦的调整

2.10透射电镜的样品制备

2.10.1粉末样品的制备

2.10.2薄膜样品的制备

2.10.3超薄切片法

2.10.4复型

2.10.5界面试样的制备

2.10.6聚焦离子束方法

2.10.7真空蒸涂方法

2.10.8试样的保存和观察时的注意事项

第3章电子与物质的相互作用

3.1电子的弹性散射

3.2电子的非弹性散射

3.2.1特征X射线

3.2.2二次电子

3.2.3背散射电子

3.2.4俄歇电子

3.2.5阴极荧光

3.2.6透射电子

3.2.7等离子体激发

3.2.8声子激发

3.3辐照损伤

第4章电子衍射

第5章复杂电子衍射谱

第6章透射显微术电子像衬度原理

第7章扫描电子显微镜

第8章电子探针显微分析仪和微分析

第9章其他显微分析方法

实验

附录

参考文献

章晓中，牛津大学材料系博士（1989年，国家公费生）。The Royal Institution of Great Britain博士后研究员（1989-1992）。新加坡国立大学物理系研究员、讲师、高级讲师（1992-1999年），1999年起任清华大学材料系教授（博导），现任清华大学电镜室主任、先进材料教育部重点实验室副主任、全国纳米技术标委会副主任委员、中国分析测试协会咨询委员会委员、全国微束分析标委会委员。主要研究兴趣：纳米材料与纳米结构、磁阻与超导材料、电子显微学，计算材料学，发表SCI论文100多篇。

内容简介

《材料评价的分析电子显微方法》全面介绍了各种分析电子显微方法。对两种最重要的电子显微分析技术——电子能量损失谱和X射线能谱分析方法的理论基础、实验技术、谱的解析，进行了系统的讲解，指出了定量分析时的注意事项。 2100433B

电子显微镜按结构和用途可分为透射式电子显微镜、扫描式电子显微镜、反射式电子显微镜和发射式电子显微镜等。

透射式电子显微镜常用于观察那些用普通显微镜所不能分辨的细微物质结构；扫描式电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌，也能与X射线衍射仪或电子能谱仪相结合，构成电子微探针，用于物质成分分析；发射式电子显微镜用于自发射电子表面的研究。

电子显微镜透射电子显微镜

因电子束穿透样品后，再用电子透镜成像放大而得名。它的光路与光学显微镜相仿，可以直接获得一个样本的投影。通过改变物镜的透镜系统人们可以直接放大物镜的焦点的像。由此人们可以获得电子衍射像。使用这个像可以分析样本的晶体结构。在这种电子显微镜中，图像细节的对比度是由样品的原子对电子束的散射形成的。由于电子需要穿过样本，因此样本必须非常薄。组成样本的原子的原子量、加速电子的电压和所希望获得的分辨率决定样本的厚度。样本的厚度可以从数纳米到数微米不等。原子量越高、电压越低，样本就必须越薄。样品较薄或密度较低的部分，电子束散射较少，这样就有较多的电子通过物镜光栏，参与成像，在图像中显得较亮。反之，样品中较厚或较密的部分，在图像中则显得较暗。如果样品太厚或过密，则像的对比度就会恶化，甚至会因吸收电子束的能量而被损伤或破坏。

透射电镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～几十万倍。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，必须制备更薄的超薄切片（通常为50～100nm）。

透射式电子显微镜镜筒的顶部是电子枪，电子由钨丝热阴极发射出、通过第一，第二两个聚光镜使电子束聚焦。电子束通过样品后由物镜成像于中间镜上，再通过中间镜和投影镜逐级放大，成像于荧光屏或照相干版上。中间镜主要通过对励磁电流的调节，放大倍数可从几十倍连续地变化到几十万倍；改变中间镜的焦距，即可在同一样品的微小部位上得到电子显微像和电子衍射图像。

电子显微镜扫描电子显微镜

扫描电子显微镜的电子束不穿过样品，仅以电子束尽量聚焦在样本的一小块地方，然后一行一行地扫描样本。入射的电子导致样本表面被激发出次级电子。显微镜观察的是这些每个点散射出来的电子，放在样品旁的闪烁晶体接收这些次级电子，通过放大后调制显像管的电子束强度，从而改变显像管荧光屏上的亮度。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。显像管的偏转线圈与样品表面上的电子束保持同步扫描，这样显像管的荧光屏就显示出样品表面的形貌图像，这与工业电视机的工作原理相类似。由于这样的显微镜中电子不必透射样本，因此其电子加速的电压不必非常高。

扫描式电子显微镜的分辨率主要决定于样品表面上电子束的直径。放大倍数是显像管上扫描幅度与样品上扫描幅度之比，可从几十倍连续地变化到几十万倍。扫描式电子显微镜不需要很薄的样品；图像有很强的立体感；能利用电子束与物质相互作用而产生的次级电子、吸收电子和X射线等信息分析物质成分。

扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。

电子显微镜发展历史

1926年汉斯·布什研制了第一个磁力电子透镜。

1931年厄恩斯特·卢斯卡和马克斯·克诺尔研制了第一台透视电子显微镜。展示这台显微镜时使用的还不是透视的样本，而是一个金属格。1986年卢斯卡为此获得诺贝尔物理奖。

1934年锇酸被提议用来加强图像的对比度。

1937年第一台扫描透射电子显微镜推出。一开始研制电子显微镜最主要的目的是显示在光学显微镜中无法分辨的病原体如病毒等。

1938年他在西门子公司研制了第一台商业电子显微镜。

1949年可透射的金属薄片出现后材料学对电子显微镜的兴趣大增。

1960年代透射电子显微镜的加速电压越来越高来透视越来越厚的物质。这个时期电子显微镜达到了可以分辨原子的能力。

1980年代人们能够使用扫描电子显微镜观察湿样本。

1990年代中电脑越来越多地用来分析电子显微镜的图像，同时使用电脑也可以控制越来越复杂的透镜系统，同时电子显微镜的操作越来越简单。

电子显微镜分辨率

分辨能力是电子显微镜的重要指标，电子显微镜的分辨能力以它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示，即称为该仪器的最高点分辨率：d=δ。显然，分辨率越高，即d的数值（为长度单位）愈小，则仪器所能分清被观察物体的细节也就愈多愈丰富，也就是说这台仪器的分辨能力或分辨本领越强。

分辨率与透过样品的电子束入射锥角和波长有关。可见光的波长约为300～700纳米，而电子束的波长与加速电压有关。依据波粒二象性原理，高速的电子的波长比可见光的波长短，而显微镜的分辨率受其使用的波长的限制，因此电子显微镜的分辨率（0.2纳米）远高于光学显微镜的分辨率（200纳米）。当加速电压为50～100千伏时，电子束波长约为0.0053～0.0037纳米。由于电子束的波长远远小于可见光的波长，所以即使电子束的锥角仅为光学显微镜的1%，电子显微镜的分辨本领仍远远优于光学显微镜。光学显微镜的最大放大倍率约为2000倍，而现代电子显微镜最大放大倍率超过300万倍，所以通过电子显微镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。

电子显微镜放大率

单就放大率（magnification）而言，是指被观察物体经电子显微镜放大后，在同一方向上像的长度与物体实际长度的比值。这是两条直线的比值，有人将放大率理解为像与物的面积比，这是一种误解，势必引起概念上的混淆和计算方法与结果上的混乱。