什么叫電子顯微鏡?

　　在回答這個(gè)問題之前，我們需要回顧一下顯微技術(shù)的歷史，即荷蘭科學(xué)家安東尼·范·列文虎克(AntonivanLeeuwenhoek，1632-1723)和英國(guó)羅伯特·胡克(RobertHooke，1635-1703)兩位科學(xué)家的工作。兩者都使用玻璃透鏡來(lái)識(shí)別微生物，并開辟了光學(xué)顯微鏡和微生物學(xué)領(lǐng)域。然而，隨著這一領(lǐng)域的進(jìn)步，德國(guó)科學(xué)家ErnstAbbe意識(shí)到光學(xué)顯微鏡將接受基本的光學(xué)物理定律--“光透射”這將限制光學(xué)顯微鏡的分辨率。這被稱作“阿貝衍射極限”。Abbe推斷顯微鏡無(wú)法分辨距離低于λ/2NA其中有兩個(gè)物體λ是光的波長(zhǎng)，NA是顯像鏡頭的數(shù)值孔徑。定義分辨率極限的方程的核心是波長(zhǎng)λ。它與所達(dá)到的分辨率成正比——波長(zhǎng)越短，分辨率越好，這就是電子顯微鏡分辨率高的原因。

　　如果沒有德國(guó)科學(xué)家HansBusch(1884-1973)電子顯微鏡的發(fā)展是不可能的。他是第一個(gè)確認(rèn)磁場(chǎng)可以以類似玻璃透鏡的方式聚焦電子束的人。德國(guó)科學(xué)家恩斯特·魯斯卡(ErnstRuska，1906-1988)注意Busch他工作并將其應(yīng)用于電子顯微鏡的開發(fā)，因此獲得了1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他也很清楚，如果電子波長(zhǎng)可以降低，他的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)產(chǎn)生什么影響。法國(guó)物理學(xué)家路易斯·德布羅意(1892-1987)用波粒二象理論解決了這個(gè)問題，說(shuō)明電子束充當(dāng)波，其波長(zhǎng)可以根據(jù)電子的速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。這可以通過加速電子通過電勢(shì)進(jìn)行調(diào)整(事實(shí)上，這被稱為電子顯微鏡的加速電壓)。下表1給出了不同加速電壓下的電子波長(zhǎng)。

　　對(duì)顯微鏡分辨率的影響現(xiàn)在非常明顯。上表所列電子的最低波長(zhǎng)比能見光波長(zhǎng)(380000pm)大約5個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)上面給出的阿貝衍射極限方程，這將對(duì)空間分辨率產(chǎn)生很大的影響。這是電子顯微鏡發(fā)展的理論動(dòng)力。

　　因此，我們可以回答我們最初的問題。電子顯微鏡使用由電磁透鏡聚焦的電子束，以顯示所有類型的材料，其空間分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡。有兩種常見的電子顯微鏡類型：散射電子顯微鏡(由Ruska開發(fā)類型)和掃描電子顯微鏡。這兩種類型也與掃描散射電子顯微鏡和配有散射探測(cè)器的掃描電子顯微鏡混合。然而，盡管技術(shù)已經(jīng)成熟，但新技術(shù)的發(fā)展繼續(xù)推動(dòng)著分辨率的極限。

　　電子顯微鏡分辨率

　　電子顯微鏡的分辨率取決于幾個(gè)因素，其核心是上述加速電壓。但其他因素也很重要，如顯微鏡中的磁性透鏡和電磁性透鏡中的像差效應(yīng)。下表2中列出了不同類型和復(fù)雜性的電子顯微鏡的分辨率限制。請(qǐng)注意，一些現(xiàn)代散射電子顯微鏡(TransmissionElectronMicroscope，簡(jiǎn)稱TEM)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)其他原子分辨率。

　　各類電子顯微鏡的分辨率。

　　電子顯微鏡類型

　　典型的空間分辨率

　　桌面掃描電鏡(可以放在桌子上-熱發(fā)射源)

　　~3-15納米

　　熱發(fā)射電子源掃描電子透鏡

　　3納米

　　肖特基場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡

　　0.6納米

　　120kV透射電鏡

　　0.2納米

　　200kV透射電鏡

　　0.1納米

　　電子顯微鏡的類型和工作原理

　　散射電子顯微鏡(TEM)

　　在TEM在中間，一束加速電子通過樣品傳輸，以各種方式與樣品相互作用，以獲取不同類型的信息，然后通過樣品下方的顯示屏、薄膜或基于半導(dǎo)體的探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)光束穿過樣品時(shí)，TEM有兩個(gè)基本要求。首先，加速電壓必須足夠高，以便電子束能夠通過樣品而不被完全吸收。其次，為了滿足這一要求，樣品必須非常薄，一般厚度為100nm。后一個(gè)要求是樣品平均原子數(shù)的函數(shù)。構(gòu)成金屬和合金的較重元素是較強(qiáng)的電子吸附劑，對(duì)樣品的厚度要求更嚴(yán)格。另一方面，生物樣品主要由C，H，O，N由這些低原子序數(shù)元素組成，且不易吸收電子，因此可容納較厚的樣品。生物樣品一般采用超薄片法制備，其中樣品嵌入塑料樹脂中，然后用玻璃刀或金剛石刀切片。這樣也可以制備無(wú)機(jī)材料，但更常見的是將它們切成3mm的圓盤，研磨拋光，最后用離子束或電解液將其變薄。電子傳輸穿孔周圍的區(qū)域?qū)⒆銐虮　Ｒ粋€(gè)小缺點(diǎn)是，這些樣品在遠(yuǎn)離穿孔點(diǎn)時(shí)會(huì)慢慢增厚，所以樣品的薄厚效應(yīng)會(huì)降低透射率。或者減少離子束。這樣具有精確采樣點(diǎn)選擇和產(chǎn)生相對(duì)對(duì)稱厚度的優(yōu)點(diǎn)。然而，這種技術(shù)的儀器價(jià)格昂貴，需要大量的操作技能。

　　顯示了描述TEM主要電子光學(xué)元件的示意圖。(a)中，顯示了TEM明場(chǎng)成像模式下的操作。從儀器上方的電子源開始，最常見的是W鎢絲(熱發(fā)射電子)或現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射源(應(yīng)用高電位從源尖端提取電子)?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)射源可以是熱輔助源(稱為肖特基地發(fā)射源)，也可以不是熱發(fā)射源(稱為尷尬的聊天發(fā)射源)。然后使用一組聚光透鏡來(lái)塑造光束到樣品并通過樣品。使用一組透鏡(物鏡、中間透鏡和投影儀透鏡)在光束通過樣聚焦圖像。

　　(a)明場(chǎng)顯像模式和(b)在電子衍射模式下TEM示意圖。

　　然而，圖像沒有多大用處，除非圖像顯示某種方式的比較。TEM有許多方法可以產(chǎn)生對(duì)比度。例如，在TEM許多類型的中的樣品本質(zhì)上都是晶體，并受到布拉格方程給出的電子衍射定律的約束：

　　nλ=2dsinθ

　　其中λ是電子的波長(zhǎng)，d晶面在特定方向之間的間隔，θ布拉格衍射角，n是反射級(jí)別。在2000kV在加速電壓下使用TEM，波長(zhǎng)為(上表1)0.00251nm。最大的金屬晶體間隔Cu例如中原子的晶體面，d間隔為0.207nm，我們可以解決sinθ。

　　Sinθ=0.00251nm/2x0.207nm=0.0061;θ=0.35°

　　這告訴我們，透射的布拉格角幾乎與電子束平行。這意味著，當(dāng)晶體平面幾乎與電子束平行時(shí)，它們的傳輸強(qiáng)度將遠(yuǎn)離原始傳輸?shù)墓馐?。這表明圖像屏幕或膠片上的黑暗區(qū)域。這種類型的比較稱為透射比較。通過這種比較方法，我們可以了解大量關(guān)于樣品晶體組成的信息。此外，因?yàn)闃悠房梢栽赥EM為了提供更多的信息，可以產(chǎn)生一系列圖像，不同的晶面進(jìn)入布拉格條件進(jìn)行透射。

　　事實(shí)上，電子衍射圖可以通過TEM以稍有不同的方式記錄操作。a插入物鏡下方的物鏡孔徑被移除，以允許透射光束傳輸。下部透鏡以稍有不同的方式配備，允許透射光束與以透射圖案為核心的強(qiáng)散射光束一起投射到圖像屏幕上。樣品和屏幕之間的距離是已知的，波長(zhǎng)也是如此。這些方法可以通過檢索來(lái)獲取晶體信息，這也有利于化合物識(shí)別。由于所有化合物都有特定的晶體結(jié)構(gòu)和晶格間隔，因此可以從模式中確定，并與現(xiàn)成晶體庫(kù)中的數(shù)據(jù)一致。

　　第二個(gè)常見的比較是原子序數(shù)的比較。在最簡(jiǎn)單的方法中，這意味著電子被樣品中的一些高原子序數(shù)元素吸收，并將其能量轉(zhuǎn)化為熱量。一旦被吸收，這些電子就不能通過樣品，每個(gè)人都會(huì)在下面的圖像屏幕上留下一個(gè)黑暗