電子顯微鏡是什么?

　　在回答這個(gè)問題之前，我們需要先回顧一下顯微技術(shù)的歷史，也就是荷蘭科學(xué)家安東尼·范·列文虎克(AntonivanLeeuwenhoek，英國人羅伯特·胡克·1632-1723(RobertHooke，兩位科學(xué)家的工作是1635-1703。兩者都在用玻璃透鏡識別微生物方面發(fā)揮了重要作用，并且開辟了光學(xué)顯微鏡和微生物學(xué)領(lǐng)域。然而，隨著這一領(lǐng)域的發(fā)展，德國科學(xué)家ErnstAbbe意識到光學(xué)顯微鏡將受到光學(xué)物理基本定律-“光透射”的限制，這將限制光學(xué)顯微鏡的分辨率。它被稱為“阿貝衍射極限”。根據(jù)Abbe的推斷，顯微鏡無法區(qū)分距離。λ兩個(gè)物體/2NA，其中，λ這是光的波長，NA是顯像鏡頭的數(shù)值孔徑。分辨率極限定義方程的核心是波長。λ。其分辨率與實(shí)現(xiàn)的分辨率成正比-波長越短，分辨率越好，這也是電子顯微鏡分辨率高的原因。

　　電子顯微鏡的發(fā)展是不可能的，如果沒有德國科學(xué)家HansBusch(1884-1973)。他是第一個(gè)證明磁場可以聚焦電子束的人，類似于玻璃透鏡的聚焦和可見光。德國科學(xué)家恩斯特·魯斯卡(ErnstRuska，1906-1988年發(fā)現(xiàn)了Busch工作，并將其應(yīng)用于電子顯微鏡的發(fā)展，從而獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。如果能減少電子波長，他也很清楚他的發(fā)現(xiàn)會(huì)有什么影響。法國物理學(xué)家路易·德布羅意(1892-1987)已經(jīng)使用波粒二象理論來解決這一問題，表明電子束充作為波，其波長可以根據(jù)電子速度來預(yù)測。它可以通過電勢加速電子來調(diào)節(jié)(實(shí)際上，它被稱為電子顯微鏡的加速電壓)。下表1沒有給出同樣的電壓。

　　表1：電子波長在不同的電子加速電壓下(電壓越大，電子速度越大)。

　　加速電壓(kV)

　　波長(pm)微鏡分辨率的影響非常明顯。上表所列電子的波長比能見光最低波長(380000pm)低5個(gè)量級左右。按照上面給出的阿貝衍射極限方程，這將對空間分辨率產(chǎn)生很大影響。它是電子顯微鏡發(fā)展的理論驅(qū)動(dòng)力。

　　因此，我們可以回答我們最初的問題。電子顯微鏡使用電磁透鏡聚焦的電子束來顯示所有類型的材料，空間分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡。電子顯微鏡有兩種常見類型:透射電子顯微鏡(Ruska開發(fā)的類型)和掃描電子顯微鏡。這兩種類型也混合了帶有掃描透射電子顯微鏡和散射檢測器的掃描電子顯微鏡。然而，雖然技術(shù)已經(jīng)成熟，但新技術(shù)的發(fā)展繼續(xù)推動(dòng)分辨率的極限發(fā)展。

　　電子顯微鏡的分辨率

　　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。但是其他因素也很重要，比如顯微鏡中的磁透鏡和電磁透鏡中的像差效應(yīng)。不同類型和復(fù)雜程度的電子顯微鏡的分辨率限制在下表2中。請注意，一些現(xiàn)代透射電子顯微鏡(TransmissionElectronMicroscope，簡稱TEM)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)其它原子級分辨率。

　　表2：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

　　桌面掃描鏡(可以放在桌子上的緊湊型-熱發(fā)射源)

　　~3-15納米

　　熱發(fā)電子源掃描電鏡電鏡

　　3納米

　　掃描電鏡在肖特基場發(fā)射。

　　0.6納米

　　透射電鏡120kV

　　0.2納米

　　透射電鏡200kV

　　0.1納米

　　電子顯微鏡的類型及其工作原理

　　透明電子顯微鏡(TEM)

　　在TEM中，通過樣品傳輸一束加速電子，通過各種方式與樣品相互作用獲取不同類型的信息，然后通過樣品下方的顯示屏、薄膜或半導(dǎo)體檢測器檢測出來。TEM在光束穿過樣品時(shí)有兩個(gè)基本要求。第一，加速電壓必須足夠高，這樣電子束才能穿過樣品而不被完全吸收，第二，為了滿足這個(gè)要求，樣品必須非常薄，厚度一般為100nm。最后一個(gè)要求是樣品平均原子數(shù)的函數(shù)。構(gòu)成金屬和合金的重要元素是較強(qiáng)的電子吸附劑，而且對樣品的厚度要求更嚴(yán)格。另外，生物樣品主要由C組成、H、O、N和這些低原子序數(shù)元素組成，并且不易吸收電子，因此可容納較厚的樣品。一般采用超薄切片法制備生物樣品，將樣品嵌入塑料樹脂中，然后用含玻璃刀或金剛石刀的切片機(jī)切片。無機(jī)材料也可以這樣制備，但更常見的是將它們切成3毫米的圓盤，打磨拋光，最后用離子束或電解液打薄。在電子傳輸中，穿孔周圍的區(qū)域?qū)⒆銐虮?。在遠(yuǎn)離穿孔點(diǎn)時(shí)，這些樣品會(huì)逐漸變厚，因此樣品的薄厚效應(yīng)會(huì)降低透射率，這是一個(gè)小缺點(diǎn)?；蛘邷p少離子束。它具有精確采樣點(diǎn)選擇和產(chǎn)生相對勻稱厚度的樣品優(yōu)點(diǎn)。但是，該技術(shù)儀器價(jià)格昂貴，需要大量的操作技能。

　　下圖1顯示了描述TEM主要電子光學(xué)元件的示意圖。在圖表中(a)中間顯示了TEM在明場顯像模式下的操作。從儀器頂部的電子源開始，最常見的是W鎢絲(熱發(fā)射電子)或場發(fā)射源(通過從源尖端提取電子施加高電位)。場發(fā)射源可以是熱輔助(稱為肖特基場發(fā)射源)，也可以不是熱發(fā)射源(稱為尷尬聊天發(fā)射源)。然后用一組聚光鏡將光束定型為樣品并穿過樣品。光束通過樣品后，用一組鏡片(物鏡、中間鏡片和投影儀鏡片)聚焦圖像。

　　圖1：(a)明場顯像的方式和(b)TEM示意圖在電子衍射模式下。

　　但是，除非圖像顯示某種方式的對比，否則圖像用處不大。在TEM中形成對比度的方法有很多。例如，在TEM中顯示的許多類型的樣品本質(zhì)上是晶體，受布拉格方程給出的電子衍射定律的限制:

　　nλ=2dsinθ

　　其中λ這是電子的波長，d是晶面間隔的特定角度，θ它是布拉格衍射角，n是反射級。TEM用于200kV加速電壓，波長為(上表1)0.00251nm。例如，晶體間隔最大的金屬Cu中原子的晶體表面，D間隔為0.207nm，我們可以解決sin。θ。

　　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)，它們的透射強(qiáng)度會(huì)遠(yuǎn)離原來傳輸?shù)墓馐?。這表現(xiàn)為圖像屏幕或膠片上的暗區(qū)域。這種類型的比較被稱為透射比較。通過使用這種比較方法，我們可以了解到大量相關(guān)樣品晶體的信息。此外，由于樣品可以傾斜在TEM中，因此可以生成一系列圖像，不同的晶體進(jìn)入布拉格進(jìn)行透射，從而提供更多的信息。

　　事實(shí)上，電子衍射圖可以通過TEM以略有不同的方式記錄。物鏡下方的物鏡孔徑在上圖1a中被移除，以允許透射光束傳輸。下方鏡片以略有不同的方式配備，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。已知樣品和屏幕之間的距離，波長也是如此。這些方法可以通過檢索獲取晶體信息，也有利于化合物識別，因?yàn)樗谢衔锒加刑囟ǖ木w結(jié)構(gòu)和晶格間隔，可以從模式中確定并與現(xiàn)成的晶體數(shù)據(jù)相匹配。