透射電鏡基本知識
透射電鏡基本知識 電子顯微學介紹 －－－－ 人們對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認識進程 俞大鵬 電子顯微學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,，電子顯微鏡把人眼睛的分辯能力從大約0.2 mm拓展至亞原子量級（<1 A)，大大增強了人們觀察世界的能力。電子顯微學開始于上世紀30年代,，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)在已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理,、半導(dǎo)體電子技術(shù),、材料、化學,、生物,、地質(zhì)等多學科的非常重要的研究手段。尤其是,，隨著科學技術(shù)發(fā)展進入納米科技時代,，電子顯微鏡更是顯示出其強大的威力?？梢哉f,，假如沒有電子顯微鏡，現(xiàn)代科學技術(shù)是不可想象的,，它的發(fā)展與其他學科的發(fā)展息息相關(guān),，密切聯(lián)系在一塊的。 以下是電子顯微學發(fā)展史上一些重要的進程： 世界上第一臺電子顯微鏡始創(chuàng)于1932年,，它由德國科學家Ruska研制,，奠定了利用電子束研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)； 圖1－2 德國科學家Ruska（左）與他的第一臺電子顯微鏡（1932年） 1946年,，Boersch在研究電子與原子的相互作用時提出,，原子會對電子波進行調(diào)制，改變電子的相位,。他認為利用電子的相位變化,，有可能觀察到單個原子，分析固體中原子的排列方式,。這一理論實際上成為現(xiàn)代實驗高分辨電子顯微分析方法的理論依據(jù),； 1947年，德國科學家Scherzer提出,，磁透鏡的欠聚焦（即所謂的Scherzer最佳聚焦,，而非通常的高斯正焦）能夠補償因透鏡缺陷（球差）引起的相位差，從而可顯著提高電子顯微鏡的空間分辨率,； 1956年,，英國劍橋大學的 Peter Hirsch教授等人不僅在如何制備對電子透明的超薄樣品，并觀察其中的結(jié)構(gòu)缺陷實驗方法方面有所突破,，更重要的是他們建立和完善了一整套薄晶體中結(jié)構(gòu)缺陷的電子衍射動力學襯度理論,。運用這套動力學襯度理論,，他們成功解釋了薄晶體中所觀察到的結(jié)構(gòu)缺陷的襯度像。因此50~60年代是電子顯微學蓬勃發(fā)展的時期,，成為電子顯微學最重要的里程碑,； 晶體理論強度、位錯的直接觀察－50－60年代電子顯微學的最大貢獻,； 1957年,，美國Arizona洲立大學物理系的Cowley教授等利用物理光學方法來研究電子與固體的相互作用，并用所謂“多層法”計算相位襯度隨樣品厚度,、欠焦量的變化,，從而定量解釋所觀察到的相位襯度像，即所謂高分辨像,。Cowley教授建立和完善了高分辨電子顯微學的理基礎(chǔ),； 1971年，Iijima等人首次獲得了可解釋的氧化物晶體的高分辨電鏡像,，證實了他們所看到的高分辨像與晶體結(jié)構(gòu)具有對應(yīng)關(guān)系,，是晶體結(jié)構(gòu)沿特定方向的二維投影； 圖1－3 日本科學家飯島（Iijima）在WO3-x晶體中獲得了的可解釋的高分辨透射電子顯微鏡像（1971年）70~80年代,，分析型電子顯微技術(shù)興起,、發(fā)展，可在微米,、納米區(qū)域進行成分,、結(jié)構(gòu)等微分析； 1982年,，英國科學家Klug利用高分辨電子顯微技術(shù),，研究了生物蛋白質(zhì)復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)，因而獲得了諾貝爾化學獎,； 1984年,，美國國家標準局的Shechtman等科學家、中科院沈陽金屬所的郭可信教授等,，利用透射電子顯微技術(shù),，發(fā)現(xiàn)了具有5次、8次,、10次,，及12次對稱性的新的有序結(jié)構(gòu)----準晶體，極大地豐富了材料,、晶體學,、凝聚態(tài)物理研究的內(nèi)涵； 1982年，瑞士IBM公司的G. Binning, H. Rohrer等人發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM）,。他們和電子顯微鏡的發(fā)明者Ruska一同獲得1986年諾貝爾物理獎,； 1991年,，日本的Iijima教授利用高分辨電子顯微鏡研究電弧放電陰極產(chǎn)物時,，發(fā)現(xiàn)了直徑僅幾十納米的碳納米管。 現(xiàn)代電子顯微學已經(jīng)發(fā)展的相當完備,，從與固體作用方式上,，可分為掃描電鏡和透射電鏡，本課程僅講授相關(guān)的透射電子顯微學部分,。從實驗方法上分,，透射電子顯微方法包括選區(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襯度分析等。現(xiàn)在還發(fā)展了電子全息分析和電子結(jié)構(gòu)分析等,。 現(xiàn)在,，通過計算機輔助修正，可以實現(xiàn)零或負值的球差系數(shù),，大大提高了透射電鏡的空間分辨率,，達到低于0.1 納米的點分辨率。另外,，通過單色儀等,，可以使電子束的能力分辨率低于0.1 eV，大大提高了能量分辯能力,。
