張新陽(yáng)

摘要：本文主要從透射電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史及物理原理出發(fā)，然后簡(jiǎn)要說(shuō)明了透射電子顯微鏡技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：透射電子顯微鏡技術(shù) 透射電子顯微鏡技術(shù)的應(yīng)用

一、透射電子顯微鏡技術(shù)概述

透射電子顯微鏡（Transmission electron microscope，縮寫TEM），簡(jiǎn)稱透射電鏡，是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像，影像將在放大、聚焦后在成像器件（如熒光屏、膠片、以及感光耦合組件）上顯示出來(lái)。透射電子顯微鏡的發(fā)展要追溯到很久以前，第一臺(tái)TEM由馬克斯·克諾爾和恩斯特·魯斯卡在1931年研制，這個(gè)研究組于1933年研制了第一臺(tái)分辨率超過可見光的TEM，而第一臺(tái)商用TEM于1939年研制成功。恩斯特·阿貝最開始指出，對(duì)物體細(xì)節(jié)的分辨率受到用于成像的光波波長(zhǎng)的限制，因此使用光學(xué)顯微鏡僅能對(duì)微米級(jí)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大觀察。通過使用由奧古斯特·柯勒和莫里茨·馮·羅爾研制的紫外光顯微鏡，可以將極限分辨率提升約一倍。然而，由于常用的玻璃會(huì)吸收紫外線，這種方法需要更昂貴的石英光學(xué)元件。1858年，尤利烏斯·普呂克認(rèn)識(shí)到可以通過使用磁場(chǎng)來(lái)使陰極射線彎曲，這個(gè)效應(yīng)在1897年就由曾經(jīng)被費(fèi)迪南德·布勞恩用來(lái)制造一種被稱為陰極射線示波器的測(cè)量設(shè)備。而實(shí)際上在1891年，里克就認(rèn)識(shí)到使用磁場(chǎng)可以使陰極射線聚焦。后來(lái)，漢斯·布斯在1926年證明了制鏡者方程在適當(dāng)?shù)臈l件下可以用于電子射線。1928年，柏林科技大學(xué)的高電壓技術(shù)教授阿道夫·馬蒂亞斯讓馬克斯·克諾爾來(lái)領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)研究小組來(lái)改進(jìn)陰極射線示波器。這組研究人員考慮了透鏡設(shè)計(jì)和示波器的列排列，1931年，這個(gè)研究組成功的產(chǎn)生了在陽(yáng)極光圈上放置的網(wǎng)格的電子放大圖像。這個(gè)設(shè)備使用了兩個(gè)磁透鏡來(lái)達(dá)到更高的放大倍數(shù)，因此被稱為第一臺(tái)電子顯微鏡。在同一年，西門子公司的研究室主任萊因霍爾德·盧登堡提出了電子顯微鏡的靜電透鏡的專利。1927年，徳布羅意發(fā)表的論文中揭示了電子這種本認(rèn)為是帶有電荷的物質(zhì)粒子的波動(dòng)特性。透射電子顯微鏡研究組直到1932年才知道了這篇論文，1932年四月，魯斯卡建議建造一種新的電子顯微鏡以直接觀察插入顯微鏡的樣品，而不是觀察格點(diǎn)或者光圈的像。通過這個(gè)設(shè)備，人們成功的得到了鋁片的衍射圖像和正常圖像，然而，其超過了光學(xué)顯微鏡的分辨率的特點(diǎn)仍然沒有得到完全的證明。

二、透射電子顯微鏡成像的幾種原理

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(chǎng)作透鏡。由電子槍發(fā)射出來(lái)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(huì)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；透過樣品后的電子束攜帶有樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，樣品內(nèi)致密處透過的電子量少，稀疏處透過的電子量多；經(jīng)過物鏡的會(huì)聚調(diào)焦和初級(jí)放大后，電子束進(jìn)入下級(jí)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。透射電子顯微鏡的成像原理可分為三種情況：（1）吸收像：當(dāng)電子射到質(zhì)量、密度大的樣品時(shí)，主要的成相作用是散射作用。樣品上質(zhì)量厚度大的地方對(duì)電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理。（2）衍射像：電子束被樣品衍射后，樣品不同位置的衍射波振幅分布對(duì)應(yīng)于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當(dāng)出現(xiàn)晶體缺陷時(shí)，缺陷部分的衍射能力與完整區(qū)域不同，從而使衍射波的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。（3）相位像：當(dāng)樣品薄至100？以下時(shí)，電子可以穿過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來(lái)自于相位的變化。在放大倍數(shù)較低的時(shí)候，TEM成像的對(duì)比度主要是由于材料不同的厚度和成分造成對(duì)電子的吸收不同而造成的。而當(dāng)放大率倍數(shù)較高的時(shí)候，復(fù)雜的波動(dòng)作用會(huì)造成成像的亮度的不同，因此需要專業(yè)知識(shí)來(lái)對(duì)所得到的像進(jìn)行分析。通過使用TEM不同的模式，可以通過物質(zhì)的化學(xué)特性、晶體方向、電子結(jié)構(gòu)、樣品造成的電子相移以及通常的對(duì)電子吸收對(duì)樣品成像。

三、透射電子顯微鏡的優(yōu)缺點(diǎn)

電子顯微鏡常用的有透射電鏡（transmissionelectronmicroscope，TEM）和掃描電子顯微鏡（scanNIngelectronmicroscope，SEM）。透射電子顯微鏡，可以看到材料的內(nèi)部，并且可以對(duì)材料的晶格排列進(jìn)行測(cè)量，可以看到1nm的尺寸。與光鏡相比電鏡用電子束代替了可見光，用電磁透鏡代替了光學(xué)透鏡并使用熒光屏將肉眼不可見電子束成像。與光鏡相比電鏡用電子束代替了可見光，用電磁透鏡代替了光學(xué)透鏡并使用熒光屏將肉眼不可見電子束成像。由于電子的德布羅意波長(zhǎng)非常短，透射電子顯微鏡的分辨率比光學(xué)顯微鏡高的很多，可以達(dá)到0.1～0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬(wàn)～百萬(wàn)倍。因此，使用透射電子顯微鏡可以用于觀察樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)，甚至可以用于觀察僅僅一列原子的結(jié)構(gòu)，比光學(xué)顯微鏡所能夠觀察到的最小的結(jié)構(gòu)小數(shù)萬(wàn)倍。電子顯微鏡的放大倍數(shù)最高可達(dá)近百萬(wàn)倍，由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、電源系統(tǒng)5部分構(gòu)成，如果細(xì)分的話：主體部分是電子透鏡和顯像記錄系統(tǒng)，由置于真空中的電子槍、聚光鏡、物樣室、 物鏡、衍射鏡、中間鏡、 投影鏡、熒光屏和照相機(jī)。電子顯微鏡是使用電子來(lái)展示物件的內(nèi)部或表面的顯微鏡。高速的電子的波長(zhǎng)比可見光的波長(zhǎng)短（波粒二象性），而顯微鏡的分辨率受其使用的波長(zhǎng)的限制，因此電子顯微鏡的理論分辨率（約0.1納米）遠(yuǎn)高于光學(xué)顯微鏡的分辨率（約200納米）。在電子顯微鏡中樣本必須在真空中觀察，因此無(wú)法觀察活樣本。在處理樣本時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生樣本本來(lái)沒有的結(jié)構(gòu)，這加劇了此后分析圖像的難度。投射電子顯微鏡只能觀察非常薄的樣本，電子束的穿透力很弱，因此用于電鏡的標(biāo)本須制成厚度約50nm左右的超薄切片，這種切片需要用超薄切片機(jī)（ultramicrotome）制作。以及透射電子顯微鏡樣品準(zhǔn)備是需要的時(shí)間長(zhǎng)。同時(shí)物質(zhì)表面的結(jié)構(gòu)有可能與物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同，電子束可能通過碰撞和加熱破壞樣本?，F(xiàn)在的最新技術(shù)可以在電子顯微鏡中觀察濕的樣本和不涂導(dǎo)電層的樣本（環(huán)境掃描電子顯微鏡，Environmental Scanning Electron Microscopes，ESEM）。假如事先對(duì)樣本的情況比較清晰的話則可以基本上進(jìn)行不破壞的觀察，此外電子顯微鏡購(gòu)買和維護(hù)的價(jià)格都比較高。TEM的樣品準(zhǔn)備是需要很長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)間的。

四、總結(jié)

近些年來(lái)透射電子顯微鏡技術(shù)發(fā)展迅速，透射電子顯微鏡在材料科學(xué)、生物學(xué)這兩個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用比較多，在物理學(xué)以及其他相關(guān)的一些科學(xué)領(lǐng)域也是重要的分析方法。在材料科學(xué)領(lǐng)域，透射電子顯微鏡可以在材料的納米、微米區(qū)域進(jìn)行物相的形貌觀察、成分測(cè)定和結(jié)構(gòu)分析，可以提供與多相催化的本質(zhì)有關(guān)的大量信息，指導(dǎo)新型工業(yè)催化劑的開發(fā)；還可以獲取催化劑中納米結(jié)構(gòu)信息，表征多相催化劑方面；同時(shí)在礦物加工與利用的方面也有很大應(yīng)用。在生物學(xué)領(lǐng)域，透射電鏡技術(shù)可觀察到小于0.2μm的細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)，從而可在分子層面對(duì)果蔬樣品進(jìn)行更深入的研究；透射電鏡技術(shù)可以應(yīng)用于確定果蔬的最佳采摘期、采后貯藏條件以及選擇適宜的保鮮方法等方面。在物理學(xué)領(lǐng)域，透射電子顯微鏡被用于半導(dǎo)體的研究。透射電子顯微鏡應(yīng)用廣泛但仍然具有一些缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李斗星，《透射電子顯微學(xué)的新進(jìn)展Ⅰ透射電子顯微鏡及相關(guān)部件的發(fā)展及應(yīng)用》，電子顯微學(xué)報(bào)

[2]《透射電子顯微鏡》，維基百科

[3]《透射電子顯微鏡》，百度百科