關(guān)于作者
中國科學(xué)院金屬研究所
透射電子顯微鏡的發(fā)展趨勢
材料新視野
2013年12月12日
透射電子顯微學(xué)（TEM）是一門探索電子與固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)相互作用的科學(xué)。
透射電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡的成像原理基本一樣，所不同的是前者用電子束作光源，用電磁場作透鏡。由電子槍發(fā)射出來的電子束，在真空通道中沿著鏡體光軸穿越聚光鏡，通過聚光鏡將之會聚成一束尖細(xì)、明亮而又均勻的光斑，照射在樣品室內(nèi)的樣品上，透過直徑為？3mm樣品的薄區(qū)后的電子束攜帶有樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，經(jīng)過物鏡的會聚調(diào)焦和初級放大后，電子束進(jìn)入下級的中間透鏡和第1、第2投影鏡進(jìn)行綜合放大成像，最終被放大了的電子影像投射在觀察室內(nèi)的熒光屏板上；熒光屏將電子影像轉(zhuǎn)化為可見光影像以供使用者觀察。透射電子顯微鏡把人眼睛的分辯能力從大約0.2 mm拓展至埃米量級（1？)，大大增強(qiáng)了人們觀察世界的能力。電子顯微術(shù)開始于上世紀(jì)30年代，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)在其主要方法包括選區(qū)電子衍射（SAED）、衍射襯度分析、匯聚束衍射（CBED）、高分辨分析（HREM）、微區(qū)成分分析（EDS、EELS）及Z襯度分析，同時還包括電子全息分析和電子結(jié)構(gòu)分析等。電子顯微術(shù)主要用于分析材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和成分分析，現(xiàn)在已經(jīng)成為材料、凝聚態(tài)物理、半導(dǎo)體電子技術(shù)、化學(xué)、生物、地質(zhì)等多學(xué)科的非常重要的研究手段。
隨著科技的發(fā)展，人們對透射電子顯微鏡的使用要求越來越高，透射電鏡仍在不斷發(fā)展。常規(guī)的透射電鏡的球差系數(shù)Cs和色差系數(shù)Cc分別約為mm級，德國科學(xué)家利用計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)了對磁透鏡進(jìn)行球差矯正，可以實現(xiàn)零球差，以及負(fù)球差，從而大大提高了透射電鏡的空間分辨本領(lǐng)，通過在電子束照明光源上加裝單色儀，可以大大提高電鏡的能量分辨率，目前的最高點(diǎn)分辨率得到大大提高，可以達(dá)到亞埃級別(<1？)。觀察樣品中的單個原子像，始終是科學(xué)界長期追求的目標(biāo)。人們預(yù)測，當(dāng)材料的尺度減少到納米尺度時，其材料的光、電等物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)可能具有獨(dú)特性。因此，納米顆粒、納米管、納米絲等納米材料的制備，以及其結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的研究成為人們十分關(guān)注的研究熱點(diǎn)。由于電子顯微鏡的分析精度逼近原子尺度，所以利用場發(fā)射槍球差校正透射電鏡，用直徑為0.13nm的電子束，不僅可以采集到單個原子的Z-襯度像，而且還可采集到單個原子的電子能量損失譜。即電子顯微鏡可以在原子尺度上可同時獲得材料的原子和電子結(jié)構(gòu)信息。利用球差校正電子顯微鏡還可以對缺陷如位錯的核心進(jìn)行成像，對人們重新認(rèn)識缺陷對性能的影響提供幫助。
[caption id="attachment_26" align="aligncenter" width="300"]
高分辨透射電鏡[/caption]
[caption id="attachment_25" align="aligncenter" width="300"]
場發(fā)射槍透射電鏡[/caption]
通過樣品臺的設(shè)計，可以在透射電鏡下對材料進(jìn)行加熱，通電和外加應(yīng)力等等，實現(xiàn)對材料在實際服役條件下的行為的觀察，從而為人們設(shè)計材料、改良材料提高更加直接的證據(jù)。通過對透射電鏡的真空進(jìn)行改進(jìn)，可以在透射電鏡下對樣品通氣氛，觀察材料與氣體分子的反應(yīng)，實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的原子尺度的觀察，也可實現(xiàn)固體材料與液體的反應(yīng)過程的觀察。
總之，透射電子顯微鏡的功能越來越強(qiáng)大，應(yīng)用越來越廣泛。
作者：楊兵
透射電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡的成像原理基本一樣，所不同的是前者用電子束作光源，用電磁場作透鏡。由電子槍發(fā)射出來的電子束，在真空通道中沿著鏡體光軸穿越聚光鏡，通過聚光鏡將之會聚成一束尖細(xì)、明亮而又均勻的光斑，照射在樣品室內(nèi)的樣品上，透過直徑為？3mm樣品的薄區(qū)后的電子束攜帶有樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，經(jīng)過物鏡的會聚調(diào)焦和初級放大后，電子束進(jìn)入下級的中間透鏡和第1、第2投影鏡進(jìn)行綜合放大成像，最終被放大了的電子影像投射在觀察室內(nèi)的熒光屏板上；熒光屏將電子影像轉(zhuǎn)化為可見光影像以供使用者觀察。透射電子顯微鏡把人眼睛的分辯能力從大約0.2 mm拓展至埃米量級（1？)，大大增強(qiáng)了人們觀察世界的能力。電子顯微術(shù)開始于上世紀(jì)30年代，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)在其主要方法包括選區(qū)電子衍射（SAED）、衍射襯度分析、匯聚束衍射（CBED）、高分辨分析（HREM）、微區(qū)成分分析（EDS、EELS）及Z襯度分析，同時還包括電子全息分析和電子結(jié)構(gòu)分析等。電子顯微術(shù)主要用于分析材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和成分分析，現(xiàn)在已經(jīng)成為材料、凝聚態(tài)物理、半導(dǎo)體電子技術(shù)、化學(xué)、生物、地質(zhì)等多學(xué)科的非常重要的研究手段。
隨著科技的發(fā)展，人們對透射電子顯微鏡的使用要求越來越高，透射電鏡仍在不斷發(fā)展。常規(guī)的透射電鏡的球差系數(shù)Cs和色差系數(shù)Cc分別約為mm級，德國科學(xué)家利用計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)了對磁透鏡進(jìn)行球差矯正，可以實現(xiàn)零球差，以及負(fù)球差，從而大大提高了透射電鏡的空間分辨本領(lǐng)，通過在電子束照明光源上加裝單色儀，可以大大提高電鏡的能量分辨率，目前的最高點(diǎn)分辨率得到大大提高，可以達(dá)到亞埃級別(<1？)。觀察樣品中的單個原子像，始終是科學(xué)界長期追求的目標(biāo)。人們預(yù)測，當(dāng)材料的尺度減少到納米尺度時，其材料的光、電等物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)可能具有獨(dú)特性。因此，納米顆粒、納米管、納米絲等納米材料的制備，以及其結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的研究成為人們十分關(guān)注的研究熱點(diǎn)。由于電子顯微鏡的分析精度逼近原子尺度，所以利用場發(fā)射槍球差校正透射電鏡，用直徑為0.13nm的電子束，不僅可以采集到單個原子的Z-襯度像，而且還可采集到單個原子的電子能量損失譜。即電子顯微鏡可以在原子尺度上可同時獲得材料的原子和電子結(jié)構(gòu)信息。利用球差校正電子顯微鏡還可以對缺陷如位錯的核心進(jìn)行成像，對人們重新認(rèn)識缺陷對性能的影響提供幫助。
[caption id="attachment_26" align="aligncenter" width="300"]
高分辨透射電鏡[/caption]
[caption id="attachment_25" align="aligncenter" width="300"]
場發(fā)射槍透射電鏡[/caption]
通過樣品臺的設(shè)計，可以在透射電鏡下對材料進(jìn)行加熱，通電和外加應(yīng)力等等，實現(xiàn)對材料在實際服役條件下的行為的觀察，從而為人們設(shè)計材料、改良材料提高更加直接的證據(jù)。通過對透射電鏡的真空進(jìn)行改進(jìn)，可以在透射電鏡下對樣品通氣氛，觀察材料與氣體分子的反應(yīng)，實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的原子尺度的觀察，也可實現(xiàn)固體材料與液體的反應(yīng)過程的觀察。
總之，透射電子顯微鏡的功能越來越強(qiáng)大，應(yīng)用越來越廣泛。
作者：楊兵