透射電鏡基本知識

電子顯微學介紹 －－－－ 人們對物質微觀結構的認識進程

俞大鵬

       電子顯微學是一門探索電子與固態物質結構相互作用的科學，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，經過幾十年的不斷發展和完善，現在已經成為凝聚態物理、半導體電子技術、材料、化學、生物、地質等多學科的非常重要的研究手段。尤其是，隨著科學技術發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。可以說，假如沒有電子顯微鏡，現代科學技術是不可想象的，它的發展與其他學科的發展息息相關，密切聯系在一塊的。

以下是電子顯微學發展史上一些重要的進程：

       世界上第一臺電子顯微鏡始創于1932年，它由德國科學家Ruska研制，奠定了利用電子束研究物質微觀結構基礎；

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代實驗高分辨電子顯微分析方法的理論依據；

        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，并觀察其中的結構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構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構缺陷的襯度像。因此50~60年代是電子顯微學蓬勃發展的時期，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；

        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構具有對應關系，是晶體結構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興起、發展，可在微米、納米區域進行成分、結構等微分析；

       1982年，英國科學家Klug利用高分辨電子顯微技術，研究了生物蛋白質復合體的晶體結構，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，發現了具有5次、8次、10次，及12次對稱性的新的有序結構----準晶體，極大地豐富了材料、晶體學、凝聚態物理研究的內涵；

       1982年，瑞士IBM公司的G. Binning, H. Rohrer等人發明了掃描隧道顯微鏡（STM）。他們和電子顯微鏡的發明者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物時，發現了直徑僅幾十納米的碳納米管。

       現代電子顯微學已經發展的相當完備，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）、微區成分分析（EDS、EELs），及Z襯度分析等。現在還發展了電子全息分析和電子結構分析等。

       現在，通過計算機輔助修正，可以實現零或負值的球差系數，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。