透射電鏡基本知識(shí)
透射電鏡基本知識(shí) 電子顯微學(xué)介紹 －－－－ 人們對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)進(jìn)程 俞大鵬 電子顯微學(xué)是一門(mén)探索電子與固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)相互作用的科學(xué)，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(jí)（<1 A)，大大增強(qiáng)了人們觀察世界的能力。電子顯微學(xué)開(kāi)始于上世紀(jì)30年代，經(jīng)過(guò)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(xué)、生物、地質(zhì)等多學(xué)科的非常重要的研究手段。尤其是，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)入納米科技時(shí)代，電子顯微鏡更是顯示出其強(qiáng)大的威力。可以說(shuō)，假如沒(méi)有電子顯微鏡，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)是不可想象的，它的發(fā)展與其他學(xué)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(xué)發(fā)展史上一些重要的進(jìn)程： 世界上第一臺(tái)電子顯微鏡始創(chuàng)于1932年，它由德國(guó)科學(xué)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(guó)科學(xué)家Ruska（左）與他的第一臺(tái)電子顯微鏡（1932年） 1946年，Boersch在研究電子與原子的相互作用時(shí)提出，原子會(huì)對(duì)電子波進(jìn)行調(diào)制，改變電子的相位。他認(rèn)為利用電子的相位變化，有可能觀察到單個(gè)原子，分析固體中原子的排列方式。這一理論實(shí)際上成為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)高分辨電子顯微分析方法的理論依據(jù)； 1947年，德國(guó)科學(xué)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(bǔ)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(guó)劍橋大學(xué)的 Peter Hirsch教授等人不僅在如何制備對(duì)電子透明的超薄樣品，并觀察其中的結(jié)構(gòu)缺陷實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)襯度理論。運(yùn)用這套動(dòng)力學(xué)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(xué)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，成為電子顯微學(xué)最重要的里程碑； 晶體理論強(qiáng)度、位錯(cuò)的直接觀察－50－60年代電子顯微學(xué)的最大貢獻(xiàn)； 1957年，美國(guó)Arizona洲立大學(xué)物理系的Cowley教授等利用物理光學(xué)方法來(lái)研究電子與固體的相互作用，并用所謂“多層法”計(jì)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(xué)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(shí)了他們所看到的高分辨像與晶體結(jié)構(gòu)具有對(duì)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(xué)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(jìn)行成分、結(jié)構(gòu)等微分析； 1982年，英國(guó)科學(xué)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(xué)獎(jiǎng)； 1984年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的Shechtman等科學(xué)家、中科院沈陽(yáng)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(duì)稱(chēng)性的新的有序結(jié)構(gòu)----準(zhǔn)晶體，極大地豐富了材料、晶體學(xué)、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(jiǎng)； 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(shí)，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(xué)已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)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(xué)部分。從實(shí)驗(yàn)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(guò)計(jì)算機(jī)輔助修正，可以實(shí)現(xiàn)零或負(fù)值的球差系數(shù)，大大提高了透射電鏡的空間分辨率，達(dá)到低于0.1 納米的點(diǎn)分辨率。另外，通過(guò)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。
