電子顯微鏡是什么?

　　在回答這個(gè)問(wèn)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(guó)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(shí)別微生物方面發(fā)揮了重要作用，并且開(kāi)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(guó)科學(xué)家ErnstAbbe意識(shí)到光學(xué)顯微鏡將受到光學(xué)物理基本定律-“光衍射”的限制，這將限制光學(xué)顯微鏡的分辨率。它被稱(chēng)為“阿貝衍射極限”。根據(jù)Abbe的推斷，顯微鏡無(wú)法區(qū)分距離。λ兩個(gè)物體/2NA，其中，λ這是光的波長(zhǎng)，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(zhǎng)。λ。其分辨率與實(shí)現(xiàn)的分辨率成正比-波長(zhǎng)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(méi)有德國(guó)科學(xué)家HansBusch(1884-1973)。他是第一個(gè)證明磁場(chǎng)可以聚焦電子束的人，類(lèi)似于玻璃透鏡的聚焦和可見(jiàn)光。德國(guó)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)用于電子顯微鏡的開(kāi)發(fā)，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(zhǎng)，他也很清楚他的發(fā)現(xiàn)會(huì)有什么影響。法國(guó)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(lái)解決這一問(wèn)題，表明電子束充作為波，其波長(zhǎng)可以根據(jù)電子速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。這種情況可以通過(guò)電勢(shì)加速電子來(lái)調(diào)節(jié)(實(shí)際上，這叫電子顯微鏡的加速電壓)。下表1給出了不加速電壓。

　　表1：電子波長(zhǎng)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(zhǎng)(pm)

　　現(xiàn)在顯微鏡分辨率的影響非常明顯。上表所列電子的波長(zhǎng)比能見(jiàn)光最低波長(zhǎng)(380000pm)低5個(gè)量級(jí)左右。按照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(wèn)題。電子顯微鏡使用電磁透鏡聚焦的電子束來(lái)顯示所有類(lèi)型的材料，空間分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡。電子顯微鏡有兩種常見(jiàn)類(lèi)型:透射電子顯微鏡(Ruska開(kāi)發(fā)的類(lèi)型)和掃描電子顯微鏡。這兩種類(lèi)型也混合了帶有掃描透射電子顯微鏡和散射檢測(cè)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(lèi)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(qǐng)注意，一些現(xiàn)代透射電子顯微鏡(TransmissionElectronMicroscope，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)其它原子級(jí)分辨率。

　　表2：各類(lèi)電子顯微鏡的分辨率。

　　電子顯微鏡類(lèi)型

　　典型的空間分辨率

　　桌面掃描鏡(可放置在桌面上的緊湊型熱源)

　　~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(chǎng)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(lèi)型及其工作原理

　　透明電子顯微鏡(TEM)

　　在TEM中，通過(guò)樣品傳輸一束加速電子，通過(guò)各種方式與樣品相互作用獲取不同類(lèi)型的信息，然后通過(guò)樣品下方的顯示屏、薄膜或半導(dǎo)體檢測(cè)器檢測(cè)出來(lái)。TEM在光束穿過(guò)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(guò)樣品而不被完全吸收，第二，為了滿(mǎn)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(duì)樣品厚度的要求也比較嚴(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(shù)脂中，然后用含玻璃刀或金剛石刀的切片機(jī)切片。無(wú)機(jī)材料也可以這樣制備，但更常見(jiàn)的是將它們切成3毫米的圓盤(pán)，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?chē)膮^(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(duì)勻稱(chēng)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)器件的示意圖。圖中(a)中間顯示了TEM在明場(chǎng)顯像模式下的操作。從儀器頂部的電子源開(kāi)始，最常見(jiàn)的是W鎢絲(熱發(fā)射電子)或場(chǎng)發(fā)射源(通過(guò)從源尖端提取電子施加高電位)。場(chǎng)發(fā)射源可以是熱輔助(稱(chēng)為肖特基場(chǎng)發(fā)射源)，也可以不是熱發(fā)射源(稱(chēng)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(guò)樣品。光束通過(guò)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(chǎng)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(duì)比，否則圖像用處不大。在TEM中形成對(duì)比度的方法有很多。例如，在TEM中顯示的許多類(lèi)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(zhǎng)，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(jí)。TEM用于200kV加速電壓，波長(zhǎng)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，衍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)，其衍射強(qiáng)度會(huì)遠(yuǎn)離原始傳輸?shù)墓馐?。這表現(xiàn)為圖像屏幕或膠片上的暗區(qū)域。這種類(lèi)型的比較被稱(chēng)為衍射比較。通過(guò)使用這種比較方法，我們可以了解大量由相關(guān)樣品晶體組成的信息。此外，由于樣品可以在TEM中傾斜，可以生成一系列圖像，不同的晶體進(jìn)入布拉格進(jìn)行衍射，從而提供更多的信息。

　　事實(shí)上，電子衍射圖可以通過(guò)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，以允許衍射光束傳輸。下方鏡片以略有不同的方式配備，允許衍射光束與以衍射圖案為核心的強(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(zhǎng)也是如此。這些方法可以通過(guò)檢索獲取晶體信息，也有利于化合物識(shí)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)成的晶體庫(kù)中的數(shù)據(jù)符合。