《材料研究方法》课程教学课件（讲稿）第五章-透射电子显微技术（电子光泶基础、透射电子显微镜的光学系统）

1.电子光学基础 透射电镜(Transmission Electrom Microseopy,TEM 1.电子光学基础 2.电子透射显微镜的光学系统 3.电子衍射 4.衬度理论 5.晶体的透射电子显微镜图像 Ernst Abbe Abbe's Theory of Image Formation 1873 1840-1905 阿贝成像原理是用波动的观点讨论成像过程，认为成像是 Specimen- 分两步完成： 第一步是经物平面发生衍射，在透镜后焦面上，形成夫朗 禾费的衍射图。如物是一光栅，此衍射图是一系列的衍射 斑。 第二步是干涉，即各衍射斑发出的球面次波在像面上相干 Im限ge planc of the 叠加，像是相干叠加的结果。 intermediate lens Projeet Iens 这种两步成像的原理就是阿贝成像原理。用频谱语言讲， 第一步，衍射使物体中各个频率的信息按不同方向传播， 最后在透镜后焦面上的不同位置会聚，所以第一步是分频 作用。第二步，在像平面上相干叠加，是各种频率信息的 合成。总的成像过程是一分一合。 Image mode (a)and diffraction mode (b)of a TEM 形成一个图像的最大分辨率的公式：KJA 其中：K在0.6-0.& In light microscopy the N.A.of A是鹤薇孔拉 a lens and therefore resolution 其表达式为：A=nsin0,《n是物体与透镜之间的介质折射率：o是透镜在 0.61λ can be increased by a)increasing 样品上所张的半角)， R.P.=- the half angle of illumination. 放大倍数(M)为像距除以物距：MR,R。 N.A. b)increasing the refractive index of the lens by using Crown glass and c)decreasing the wavelength 19 mm 18m (λ)ofillumination. In electron microscopy the refractive index cannot exceed 1.0,the half angle is very small,and thus 1 the only thing that can be adjusted is decreasing the wavelength of illumination

透射电镜 (Transmission Electron Microscopy, TEM) (Transmission Electron Microscopy, TEM) (Transmission Electron Microscopy, TEM) (Transmission Electron Microscopy, TEM) 1. 电子光学基础 2. 电子透射显微镜的光学系统 3. 电子衍射 4. 衬度理论 5. 晶体的透射电子显微镜图像 1. 电子光学基础 Abbe’s Theory of Image Formation 1873 Ernst Abbe 1840 - 1905 1840 - 1905 1840 - 1905 1840 - 1905 阿贝成像原理是用波动的观点讨论成像过程，认为成像是 分两步完成： 第一步是经物平面发生衍射，在透镜后焦面上，形成夫朗 禾费的衍射图。如物是一光栅，此衍射图是一系列的衍射 斑。 第二步是干涉，即各衍射斑发出的球面次波在像面上相干 叠加，像是相干叠加的结果。 这种两步成像的原理就是阿贝成像原理。用频谱语言讲， 第一步，衍射使物体中各个频率的信息按不同方向传播， 最后在透镜后焦面上的不同位置会聚，所以第一步是分频 作用。第二步，在像平面上相干叠加，是各种频率信息的 合成。总的成像过程是一分一合。 形成一个图像的最大分辨率的公式： Kλ/A 其中: K在0.6-0.8; λ是照明的波长; A是物体的数值孔径； 其表达式为：A=n0sinθ0，（n0是物体与透镜之间的介质折射率；θ0是透镜在 样品上所张的半角）。 放大倍数（M）为像距除以物距：M=R1/R0。 0.61 0.61 0.61 0.61 λ R.P. = - R.P. = - R.P. = - R.P. = - N.A. N.A. N.A. N.A. In light microscopy the N.A. of a lens and therefore resolution can be increased by a) increasing the half angle of illumination, b) increasing the refractive index of the lens by using Crown glass and c) decreasing the wavelength (λ) of illumination. In electron microscopy the refractive index cannot exceed 1.0, the half angle is very small, and thus the only thing that can be adjusted is decreasing the wavelength of illumination

Transmission Electron Microscopy 入≈(150/V)2 Angstroms Substituting 200 eV for V gives Aa of 0.87 Angstroms ABALAAAAK6A00A0AAAA VWwWwwW0WVW00 For a beam of 100 KeV we get a wavelength of0.0389 and a theoretical resolution of 0.0195 Angstroms! vis velocity Louis de Broglie 1923 But in actualiry most TEMs will only have an actual h-Planck's comstant (6.624 X 10-7 erg/second) m=mass of an electroa (9.11 X 10-2 gram-1/1837 of a proton) resolution 2.4 Angstroms at 100KeV v=velocity of the electron 与电子透镜缺陷相关的参数 电子透镜也存在缺陷，使得实际分辨距离远小于星论分辨 距离，对电镜分辨本领起作用的是球遵、象散和色差。 透镜 1)球差 球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能力 不同面造成的.远轴的电子通过透镜是折射得比近轴电了要厉害的 多，以致两者不交在一点上，结果在象平面成了一个漫散圆觅，半 光轴 径为 TM=MCa 还原到物平面，则 ☑为球差系数，最住值是03mm 区为孔径角。透皱分辨本领随☑曾大而迅速变坏。 (a)球差 2)象散 磁场不对称时，就出现象散。有的方向电子束的折射比别的 ,透镜平面 方向强，比如下图中，在A平面运行的电子束聚焦在P点， 而在B平面运行的电子聚焦在Pb点，依次类推。 平面B 这样，圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑，其平均半 径为 TAM=MAR 光轴 还原到物平面 m=Ma 为象引起的最大焦距差： PA Pa 平面A 透磁场不对称，可能是由于极靴被污染，或极靴的机械不 对称性，或极靴材料各项磁导率差异引起。象散可由附加磁场的 电磁消象散器来校正。 (b)象散

Louis de Louis de Louis de Louis de Louis de Louis de Louis de Louis de Broglie Broglie Broglie Broglie Broglie Broglie Broglie Broglie 1923 h = Planck's constant (6.624 X 10 h = Planck's constant (6.624 X 10 h = Planck's constant (6.624 X 10 h = Planck's constant (6.624 X 10-27 erg/second) erg/second) erg/second) erg/second) m = mass of an electron (9.11 X 10 m = mass of an electron (9.11 X 10 m = mass of an electron (9.11 X 10 m = mass of an electron (9.11 X 10-28 gram = 1/1837 of a proton) gram = 1/1837 of a proton) gram = 1/1837 of a proton) gram = 1/1837 of a proton) v = velocity of the electron v = velocity of the electron v = velocity of the electron v = velocity of the electron Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy λ ≈ ( 150 / V ) ( 150 / V ) ( 150 / V ) ( 150 / V ) 1/2 Angstroms Angstroms Angstroms Angstroms Substituting 200 Substituting 200 Substituting 200 Substituting 200 eV for V gives for V gives for V gives for V gives λ a of 0.87 Angstroms a of 0.87 Angstroms a of 0.87 Angstroms a of 0.87 Angstroms For a beam of 100 For a beam of 100 For a beam of 100 For a beam of 100 KeV we get a wavelength of 0.0389 we get a wavelength of 0.0389 we get a wavelength of 0.0389 we get a wavelength of 0.0389 and a theoretical resolution of 0.0195 Angstroms! and a theoretical resolution of 0.0195 Angstroms! and a theoretical resolution of 0.0195 Angstroms! and a theoretical resolution of 0.0195 Angstroms! But in actuality most But in actuality most But in actuality most But in actuality most TEMs will only have an actual will only have an actual will only have an actual will only have an actual resolution 2.4 Angstroms at 100KeV resolution 2.4 Angstroms at 100KeV resolution 2.4 Angstroms at 100KeV resolution 2.4 Angstroms at 100KeV 与电子透镜缺陷相关的参数 电子透镜也存在缺陷，使得实际分辨距离远小于理论分辨 距离，对电镜分辨本领起作用的是球差、象散和色差。 1） 球 差 球差是由于电子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。远轴的电子通过透镜是折射得比近轴电子要厉害的 多，以致两者不交在一点上，结果在象平面成了一个漫散圆斑，半 径为 还原到物平面，则 为球差系数，最佳值是0.3 mm 。 为孔径角，透镜分辨本领随 增大而迅速变坏。 3 r s⋅M = MCsα ⋅ 3 = = sα s M s C M r r Cs α α α P’ 象 P’’ 透镜 物 P 光轴 （a） 球差 2）象散 磁场不对称时，就出现象散。有的方向电子束的折射比别的 方向强，比如下图中，在A平面运行的电子束聚焦在Pa点， 而在B平面运行的电子聚焦在Pb点，依次类推。 这样，圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑，其平均半 径为 还原到物平面 为象散引起的最大焦距差； 透镜磁场不对称，可能是由于极靴被污染，或极靴的机械不 对称性，或极靴材料各项磁导率差异引起。象散可由附加磁场的 电磁消象散器来校正。 rA⋅M = MΔf Aα r A = Δf Aα A Δf 平面B PA 透镜平面 物 P 光轴 PB fA 平面A （b）象散

3)色差 电子的能量不同，从面波长不一造成的，电子透镜的焦距随者电子 能量而改变，因此，能量不同的电子束将沿不同的轨迹运动。产生的 漫散圆斑还原到物平面，甘坐径为 AE 透镜 能量为E的 Ic=Ca E 电子轨迹 ☑是透镀的色差系数，大致等于其焦距，是电子能量的变化率。 物 引起电子束能量变化的主要有两个原因：一是电子的加速电压不稳 光轴 二是电了 和试样相互作用。一部分电子发生非 使用薄试样和小孔径光阑将散射角大的非弹性散射电子挡掉，将有 助于减小色散。 能量为E-E的 电子轨迹 象1 象2 图1-5(c)色差 电子透镜的场深和焦深 在电子透镜中，球差对分辨本 电子透镜分辨本领大，场深（景深）大，焦深长。 领的影响最为重要，因为没有一种 场深是指在保持象清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴 简便的方法使其矫正，而其它象散 可移动的距离，或者说试样超越物平面所允许的厚度 焦深是指在保持象清晰的前提下，象平面沿镜轴可移动的距离。 和色差，可以通过一些方法消除 或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。 电子透镜所以有这种特点，是由于所用的孔径角非常小的缘故， 这种特点在电子显微镜的应用和结构设计上具有重大意义， 场深的关系可以从下图推导出来。在Y≤d的条件下，场深 D,= =2dfa tan a 如d三5埃2=7×10版度时，D☑大约是1400埃，这就是说， PAY ATTENTION 厚度小于1400埃的试样，其间所有细节都可调焦成象。由于电子透 镜场深大，电子透镜广泛的应用在断口观察上， 2X 下图是焦深的示意图。.由图可以看出， D,-24n tang 由于 透镜 所以 -=D, 0 这里的M是总放大倍数。可见，焦深是很大的。例如.M=10 D,=1400埃时，D,=14米.当然，这一结果只有在D<马 L2 才是正确的，即便如此，所得的也是很大的。因此，当用倾斜 场深示意图 观察屏观察象时，以及当照相底片不位于观察屏同一象平面时。 所拍照的象依然是清胀的. 2MX 象平面

3）色差 电子的能量不同，从而波长不一造成的，电子透镜的焦距随着电子 能量而改变，因此，能量不同的电子束将沿不同的轨迹运动。产生的 漫散圆斑还原到物平面，其半径为 是透镜的色差系数，大致等于其焦距， 是电子能量的变化率。 引起电子束能量变化的主要有两个原因：一是电子的加速电压不稳 定；二是电子束照射到试样时，和试样相互作用，一部分电子发生非 弹性散射，致使电子的能量发生变化。 使用薄试样和小孔径光阑将散射角大的非弹性散射电子挡掉，将有 助于减小色散。 E ΔE rC = Ccα ΔE E Cc 能量为E的 电子轨迹 象1 透镜 物 P 光轴 图1-5（c） 色差 能量为E- E的 电子轨迹 象2 在电子透镜中，球差对分辨本 领的影响最为重要，因为没有一种 简便的方法使其矫正，而其它象散 和色差，可以通过一些方法消除 PAY ATTENTION 电子透镜的场深和焦深 电子透镜分辨本领大，场深（景深）大，焦深长。 场深是指在保持象清晰的前提下，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。 焦深是指在保持象清晰的前提下，象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。 电子透镜所以有这种特点，是由于所用的孔径角非常小的缘故。 这种特点在电子显微镜的应用和结构设计上具有重大意义。 场深的关系可以从下图推导出来。在 的条件下，场深 如 埃， 弧度时， 大约是1400埃，这就是说， 厚度小于1400埃的试样，其间所有细节都可调焦成象。由于电子透 镜场深大，电子透镜广泛的应用在断口观察上。 min X ≤ d α α α m in 2 2 tan 2 d X X D f = ≅ = 5 d min ≅ 3 7 10 − α = × D f α 2MX α R L2 L1 Qi 2X Q Df 透镜 象平面 场深示意图 下图是焦深的示意图。由图可以看出， 由于 ，即 所以 这里的M是总放大倍数。可见，焦深是很大的。例如， ， 埃时， 米。当然，这一结果只有在 时 才是正确的，即便如此，所得的 也是很大的。因此，当用倾斜 观察屏观察象时，以及当照相底片不位于观察屏同一象平面时， 所拍照的象依然是清晰的。 i i d M D tan α 2 m in = L α L α i 1 tan = 2 tan L M M L i α α = α = tan α ≈ 1 tan tan 2 1 2 2 m in 1 2 D M d M D = = i f α 4 M =10 =1400 D f D f << L1 = 14 D f

透镜 A Condenser lence 石 Lens Viewing Sereen Photographie Optical Microscope Electron Microscope 焦深示意图 2dhM Transmission Electron Microscopy ERNST RUSE MAX KNOLL Ernst Ruska & 2、透射电子显微镜的光学系统 Max Knoll 132营次发表了关于电子是常院的 实验和论研究，并试成功第 台电碱试电子显撒算。1934年，电 子显徽物的分换率已达到0心A Ernst Ruska 186年错贝尔物理学奖 Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Bill Ladd 1939 V.Zworykin 1939年德国西 J.Hillier 门子公司造出 了世界第一台 商品透射电子 EMB 显微镜，分辨 1940 率优于100A. James Hillier-RCA 北美洲第一台电能的侧造者之一，加拿大多仑多大学 线电公 RCA:Radi

屏 透镜 α L1 L2 Df 2d最小 M 焦深示意图 Optical Microscope Electron Microscope 2、透射电子显微镜的光学系统 Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Ernst Ruska & Max Knoll Max Knoll Max Knoll Max Knoll Max Knoll Max Knoll Max Knoll Max Knoll 1932首次发表了关于电子显微镜的 首次发表了关于电子显微镜的 实验和理论研究，并试制成功第一 实验和理论研究，并试制成功第一 台电磁式电子显微镜。 台电磁式电子显微镜。1934年，电 子显微镜的分辨率已达到 子显微镜的分辨率已达到500Å Ernst Ruska （1906–1988)，曾就 读于慕尼黑工业大学电子专业，获 读于慕尼黑工业大学电子专业，获 1986年诺贝尔物理学奖 年诺贝尔物理学奖 Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Bill Ladd Bill Ladd Bill Ladd Bill Ladd Bill Ladd Bill Ladd Bill Ladd Bill Ladd 1939 1939年德国西 门子公司造出 了世界第一台 商品透射电子 显微镜，分辨 率优于100Å. Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy James Hillier – RCA 北美洲第一台电镜的制造者之一,加拿大多仑多大学; RCA: Radio Corporation of America (美国无线电公司) EMB 1940 L. Marton V.Zworykin V.Zworykin V.Zworykin V.Zworykin & J. Hillier J. Hillier J. Hillier J. Hillier

日本日立公司H-700 电子显微镜，配有双倾台 当前主流电镜的类型 ,并带有7010扫描附件和 EDAX9100能谱.该仪器 目前，风行于世界的大型电镜，分辨本领为2-3埃，电压为 不但适合于医学、化学 100-500kW,放大倍数50-1200000倍.由于材料研究强调综合 微生物等方面的研究，由 分析，电镜逐渐增加了一些其它专门仪器附件，如扫描电镜、扫 于加速电压高，更适合于 搞透射电镜、X射线能谱仪、电子能损分析等有关附件，使其成为 金属材料、矿物及高分子 微观形貌观察、品体结构分析和成分分析的综合性仪器，即分析 材料的观察与结构分析， 电镜。它们能同时提供试样的有关附加信县， 并能配合能谱进行微区成 高分辨电镜的设计分为两类：一是为生物工作者设计的，具 份分析。 有最佳分辨本领而没有附件：二是为材料科学工作者设计的，有 附件而损失一些分辨能力。另外，也有些设计，在高分辨时采取 短焦距，低分辨时采取长焦距， ● 电压75y -200KV ● 放大传兼：25万传 能谱位，EDAX一9100 ●扫描附件：S7010 CM200-FEG场发射枪电镜 电 40KV.80KV JEM-2010透射电镜 设置加速电压 加速电压200KV 分率14A LaB6灯丝 点分辨率1.94A 、由子束直径1n 能量分辨率的1 20度 B-25 EM420透射电子显微镜 JEM-2010透射电镜 加速电压20KV、40KV、60KV 加速电压200KV LaB6打丝 品格分辨率2.04A 点分辨率L.94A 点分辨率3.4A 最小电子束直径钓2nm 倾转角度a-t60度 B=30度 Philips CM12透射电镜 知速电压20KV、40KV,60kV、80KV 、100KV、120kV LaB6或W灯丝 品格分辨率204A 点分然率3.4A 最小电子束直径的2nm: 慎转角度a-t20度 B-t25 Guangchao Chen JE-20X CEISS902电镜 加速电压50KV、8OKV W灯丝 顶插式样品台 能量分族率1.5y 顿转角度a=t60度 转动4000

当前主流电镜的类型 目前，风行于世界的大型电镜，分辨本领为2~3 埃，电压为 100～500kV，放大倍数50~1200000倍。由于材料研究强调综合 分析，电镜逐渐增加了一些其它专门仪器附件，如扫描电镜、扫 描透射电镜、X射线能谱仪、电子能损分析等有关附件，使其成为 微观形貌观察、晶体结构分析和成分分析的综合性仪器，即分析 电镜。它们能同时提供试样的有关附加信息。 高分辨电镜的设计分为两类：一是为生物工作者设计的，具 有最佳分辨本领而没有附件；二是为材料科学工作者设计的，有 附件而损失一些分辨能力。另外，也有些设计，在高分辨时采取 短焦距，低分辨时采取长焦距。 日本日立公司H－700 电子显微镜，配有双倾台 ，并带有7010扫描附件和 EDAX9100能谱。该仪器 不但适合于医学、化学、 微生物等方面的研究，由 于加速电压高，更适合于 金属材料、矿物及高分子 材料的观察与结构分析， 并能配合能谱进行微区成 份分析。 ● 分 辨 率：0.34nm ● 加速电压：75KV－200KV ● 放大倍数：25万倍 ● 能 谱 仪：EDAX－9100 ● 扫描附件：S7010 CM200-FEG场发射枪电镜 JEM-2010透射电镜 加速电压200KV LaB6灯丝 点分辨率 1.94Å 加速电压20KV、40KV、80KV、 160KV、200KV 可连续设置加速电压 热场发射枪 晶格分辨率 1.4Å 点分辨率 2.4Å 最小电子束直径1nm 能量分辨率约1ev 倾转角度α=±20度 β=±25度 JEM-2010透射电镜 加速电压200KV LaB6灯丝 点分辨率 1.94Å EM420透射电子显微镜 加速电压20KV、40KV、60KV、 80KV、100KV、120KV 晶格分辨率 2.04Å 点分辨率 3.4Å 最小电子束直径约2nm 倾转角度α=±60度 β=±30度 Philips CM12透射电镜 加速电压20KV、40KV、60KV、80KV 、100KV、120KV LaB6或W灯丝 晶格分辨率 2.04Å 点分辨率 3.4Å 最小电子束直径约2nm； 倾转角度α=±20度 β=±25度 CEISS902电镜 加速电压50KV、80KV W灯丝 顶插式样品台 能量分辨率1.5ev 倾转角度α=±60度 转动4000

上电了枪 Electron Sources 明系 阳楼 十一束商编转传园 一单光 8 Thermionic Emitters 一第三中料植 1用~高分m面鞋家 ?无学湿街阳 你龙年出 Field Emitters Optical diagram of a 电镜镜筒到面示意图 electron microscope Electron Sources Electron Sources SEM Cathode Comparison Work Function METAL VACUUM Tuagsten famest LaB Scaottk灯(TF)Field Emission Appareat Souree Sin1005me c100H室8 S100e仙 rigessmr0-50 A/c10-00 100-10m Energy (or work)required to 105Ta withdraw an electron hk-Ga coprrie橙 completely from a metal Other Factors to consider? surface.This energy is a measure of how tightly a INTERFACE Cost W=$15 LaB6=$400 FE.=$6000 particular metal holds its electrons Lifetime 100 hr.1000 hr 5-8000hr Electron Sources Electron Sources Thermionic Emitters utilize heat to overcome the work function of a material Tungsten Filament (W) Tungsten emitters Lanthanum Hexaboride Wire bent into a loop of various LaB6 dimensions. W(m.t.3410 degrees C.)

Electron Sources Electron Sources Electron Sources Electron Sources Thermionic Emitters Field Emitters Electron Sources Electron Sources Electron Sources Electron Sources Other Factors to consider? Cost W= $15 LaB6 = $400 F.E. = $6000 Lifetime 100 hr. 1000 hr 5-8,000 hr. Electron Sources Electron Sources Electron Sources Electron Sources Work Function Work Function Energy (or work) required to withdraw an electron completely from a metal surface. This energy is a measure of how tightly a particular metal holds its electrons Electron Sources Electron Sources Electron Sources Electron Sources Thermionic Emitters utilize heat to overcome the work function of a material. Tungsten Filament (W) Lanthanum Hexaboride LaB6 Electron Sources Electron Sources Electron Sources Electron Sources Tungsten emitters Wire bent into a loop of various dimensions. W (m.t. 3410 degrees C.)

Electron Sources Electron Sources LaB cathodes OPERATING POINT了 Heat is applied by way of separate resistance FALSE PEAK- wire or ceramic mounts cooled structurl mount Filament current is FILAMENT CURRENT.i separate from heating Increasing the filament current will increase the current beam current but only to the point of saturation at which point an increase in the filament current hentinit ribbon will only shorten the life of the emitter Electron Sources LaB6 Emitters 1a1-1a0 (T-10g 1142 Similar in design to a 1kt的生d d:he port adart过r时s tungsten filament Electron Sources Electron Gun Filament Current (Heating Current) Tungsten Filament Current rumning Electron Cloud Cathode( through the emitter Anode (+ Beam Current Current generated by the emitter Beem Curront

Electron Sources Electron Sources Electron Sources Electron Sources Increasing the filament current will increase the beam current but only to the point of saturation at which point an increase in the filament current will only shorten the life of the emitter Electron Sources Electron Sources Electron Sources Electron Sources Heat is applied by way of separate resistance wire or ceramic mounts Filament current is separate from heating current Electron Sources Electron Sources Electron Sources Electron Sources Similar in design to a tungsten filament LaB6 Emitters LaB6 Emitters LaB6 Emitters LaB6 Emitters LaB6 Emitters LaB6 Emitters LaB6 Emitters LaB6 Emitters Electron Sources Electron Sources Electron Sources Electron Sources Filament Current (Heating Current) Current running through the emitter Beam Current Current generated by the emitter

Electron Sources Electron Sources Filament Centering Field Emitter Single oriented Gun Horizontal crystal of tungsten etched to a fine tip 艺 Gun Tilt The emission ofelectrons that are stripped from parent atoms by a high electric field Electron Sources diamond electron source material,which exhibits electron affinity (the conduction the applic Field Emission Gun A Field Emission field emission tip tip can be“cold"or first anode thermally assisted to help overcome the second anode work function but irst cross-over ultimately it is a high voltage field of 3 Kev that is needed 3mm grids for supporting the thin specimen a Devlopmentanda diamd beam astments Schematic showing doubie jets apparatus for TEM thin film specimen preparation

Electron Sources Electron Sources Electron Sources Electron Sources Filament Centering Gun Horizontal Gun Tilt Electron Sources Electron Sources Electron Sources Electron Sources Field Emitter Field Emitter Single oriented crystal of tungsten etched to a fine tip The emission of electrons that are stripped from parent atoms by a high electric field Electron Sources Electron Sources Electron Sources Electron Sources A Field Emission tip can be “cold” or thermally assisted to help overcome the work function but ultimately it is a high voltage field of 3 KeV that is needed diamond electron source Why diamond? diamond is a rare material, which exhibits negative electron affinity (the conduction band minimum lies above the vacuum level) depending on the surface state. Therefore, the application of diamond as an electron source is feasible

Top entry specimen holder Side entry specimen holder FB制样技术 系统组成： 工艺原理： 典型的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子 侦测器、5-6轴响移动的试片基座、真空系统、抗叛动和磁场的装置、电 聚焦高子束Focused lon beam.F1B)的系统是利用电透镜将离子束聚体成非常 子控制面板、和计算机等硬设备， 小的尺寸，从而实现显微切。具体为，外加电场SP0 500于液相金属高 子遵，使液态嫁形成细小尖端。再加上负电场Extracto牵引尖端，而导出金 属离子束，以电透镜聚焦，经过一连串变化孔径Automat5 c Variable Aperture. 基本功能： AVA)可决定离子束的大小，再经过二次聚焦至试片表面，利用物理碰撞来达到 1.定点切制Precisional Cutting-利用离子的物理藏撞米达到切剂之目的. 切制之目的。 在成像方面，聚焦离子束显微镜和扫描电子是微镜的原理比较相近，其中离子 相绝缘材料， 束最微镜的试片表面受综离子扫描撞击而蠹发出的二次电子和二次离子是影像 常见的金牌有到袋供金属和氧化 在局部区域作导体或非导体 图2风来9利 TEOS Deposition) mP)和 的来源，影像的分辨率决定于离子束的大小、带电离子的加速电压、二次离子 讯号的强度、试片接地的状况、与仪器抗振动和磁场的状况，目前商用机型的 影像分辨率最高已达4m,虽然其分辨率不及扫描式电子显微镜和穿透式电子 3.张化性蚀刻域选择性蚀刻(Enhanced Etching-lodine//Selective Etching- 显微镜，但是对于定点结构的分析，它没有试片制备的问愿，在工作时间上较 XF2)-辅以离峡性气体，加速切制的效率或作去择性的材料去除。 为经济。 4.蚀刻终点债测(End Point Detection吵镇测二次离子的讯号，藉以了解切 剂或蚀刻的进行状况

FIB制样技术 工艺原理： 聚焦离子束(Focused Ion beam, FIB) 的系统是利用电透镜将离子束聚焦成非常 小的尺寸，从而实现显微切割。具体为，外加电场(Suppressor)于液相金属离 子源 ，使液态镓形成细小尖端，再加上负电场(Extractor) 牵引尖端，而导出金 属离子束，以电透镜聚焦，经过一连串变化孔径 (Automatic Variable Aperture, AVA)可决定离子束的大小，再经过二次聚焦至试片表面，利用物理碰撞来达到 切割之目的。 在成像方面，聚焦离子束显微镜和扫描电子显微镜的原理比较相近，其中离子 束显微镜的试片表面受镓离子扫描撞击而激发出的二次电子和二次离子是影像 的来源，影像的分辨率决定于离子束的大小、带电离子的加速电压、二次离子 讯号的强度、试片接地的状况、与仪器抗振动和磁场的状况，目前商用机型的 影像分辨率最高已达 4nm，虽然其分辨率不及扫描式电子显微镜和穿透式电子 显微镜，但是对于定点结构的分析，它没有试片制备的问题，在工作时间上较 为经济。 系统组成： 典型的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子 侦测器、5-6轴向移动的试片基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电 子控制面板、和计算机等硬设备， 基本功能： 1. 定点切割(Precisional Cutting)-利用离子的物理碰撞来达到切割之目的。 2. 选择性的材料蒸镀(Selective Deposition)- 以离子束的能量分解有机金属 蒸气或气相绝缘材料，在局部区域作导体或非导体的沉积，可提供金属和氧化 层的沉积(Metal and TEOS Deposition) ，常见的金属沉积有铂(Platinum,Pt)和 钨(Tungstun,W)二种。 3. 强化性蚀刻或选择性蚀刻(Enhanced Etching-Iodine/Selective Etching￾XeF2)-辅以腐蚀性气体，加速切割的效率或作选择性的材料去除。 4. 蚀刻终点侦测(End Point Detection)-侦测二次离子的讯号，藉以了解切 割或蚀刻的进行状况