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電子顯微鏡的原理和分類
閱讀：12399 發(fā)布時(shí)間：2010-9-25
電子顯微鏡的原理
電子顯微鏡是一種電子儀器設(shè)備，可用來詳細(xì)研究電子發(fā)射體表面電子的放射情形。其放大倍數(shù)和分辨率都比光學(xué)顯微鏡高得多。因?yàn)槠胀ü鈱W(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率有限，無法觀測(cè)到微小物體。以電子束來代替可見光束，觀察物體時(shí)，分辨率就沒有波長(zhǎng)要在可見光譜之內(nèi)的限制，不過電子透鏡無法作得像光學(xué)透鏡那樣。因此理論上，電子顯微鏡所具有的分辨率并不可靠。目前電子顯微鏡的分辨率可達(dá)10-7厘米（約為原子直徑的兩倍）。通常電子顯微鏡的放大率是200～200 000倍，再經(jīng)照相放大可達(dá)1000 000倍。電子顯微鏡有兩大類：（1）發(fā)射型。（2）電磁、靜電掃描型。前者用于研究電子放射現(xiàn)象；后者用以增加普通光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用范圍。1924年法國(guó)物理學(xué)家德布洛意指出電子和其他的粒子也都具有和光類似的波動(dòng)性質(zhì)。他還求出了計(jì)算它們波長(zhǎng)的公式：
λ=/（mv）式中m是粒子的質(zhì)量而v是它的速度，h是普朗克常數(shù)。此公式發(fā)明的年代較早，后來由美國(guó)科學(xué)家德維生及革末用實(shí)驗(yàn)證明其正確性。既然正確，也就告訴人們：雖然電子是一種可稱重量，可數(shù)數(shù)目，可以被電子槍發(fā)射的粒子，但它同時(shí)又是一種波。從公式中我們可以看到，如果使電子運(yùn)動(dòng)的速度十分巨大的話，它就可以明顯地顯示出波長(zhǎng)極短的波動(dòng)性。如果在光學(xué)顯微鏡中被觀察物的大小比光波波長(zhǎng)還小的話，人們就不能分辨出來。在實(shí)用上通常取波長(zhǎng)λ的三分之一作為限度，光波波長(zhǎng)約在6×10-5厘米左右，它的三分之一就是2×10-5厘米了。然而，有很多科學(xué)家急待觀察的微小東西如病毒體、膠體粒子及結(jié)晶結(jié)構(gòu)的大小都在這限度以下，既然如此，如果我們把一顆運(yùn)動(dòng)中的電子加速，使它產(chǎn)生巨大的速度，從而有極短的波長(zhǎng)，則利用此原理制成的電子顯微鏡就能觀察到極微小的物體了。把電子加速的辦法是在真空中加上若干萬伏的高電壓，電子就會(huì)以極快的速度射出，其波長(zhǎng)可能會(huì)達(dá)到4×10-5厘米這樣短的長(zhǎng)度，也就是說，電子顯微鏡可以看到1.4×10-10cm 這樣小的物體。當(dāng)然這是理論上的結(jié)果，在實(shí)際上由于儀器等等原因，不可能達(dá)到這樣理想的地步。但無論如何，電子顯微鏡已可以放大五萬倍以上；而有些精良到可將物體放大十萬倍。電子顯微鏡中有一個(gè)電子槍，電子在槍集束射出，正像光學(xué)顯微鏡中利用光學(xué)透鏡的成像作用得到顯微的放大像一樣，在電子顯微鏡中用磁透鏡，使電子束會(huì)聚成像。我們把一片待觀察的物體，例如一片很薄的晶體，放在電子顯微鏡中，電子束就會(huì)射向這片物體上，在一塊熒光幕上就會(huì)得到一個(gè)放大的影像。如果在電子顯微鏡中用感光的底片代替熒幕的話就可以得到一張微觀世界的珍貴圖片。而一些特別好的電子顯微鏡，甚至可以觀察到一些巨分子的結(jié)構(gòu)！這些圖片在科學(xué)研究上的價(jià)值十分重大。當(dāng)然，在電子顯微鏡中不會(huì)這樣簡(jiǎn)單，它要涉及電子射線通過物體產(chǎn)生不同的散射而造成明暗不同的影響。zui近，有些電子顯微鏡是利用電子束的反射來觀察較厚的物體例如病菌、病毒及其他極微小物體的巨分子組織。而的顯微鏡用的卻不是電子顯微鏡，而是離子顯微鏡借以達(dá)到更短的波長(zhǎng)，米勒曾經(jīng)利用氦的離子顯微鏡成功地拍攝到金屬表面的單獨(dú)分子運(yùn)動(dòng)。這種離子顯微鏡可以分辨原子之間相隔百萬分之二十七厘米的空隙，它是目前顯微鏡中的一種。
l 電子顯微鏡的分類
1、 透射電鏡 （TEM）
樣品必須制成電子能穿透的，厚度為100～2000 Å的薄膜。成像方式與光學(xué)生物顯微鏡相似，只是以電子透鏡代替玻璃透鏡。放大后的電子像在熒光屏上顯示出來。圖1 透射電子顯微鏡的光路示意圖是其光路示意圖。TEM的分辨本領(lǐng)能達(dá) 3 Å左右。在特殊情況下能更高些。
?。?）超高壓電鏡 （HVEM） 是一種TEM，不過常用的 TEM加速電壓為 100 kV。只能穿透幾千埃厚的樣品。電子的穿透能力隨 b2 ＝ v2/c2 （ 電子速度與光速之比 ）而增。由于相對(duì)論性效應(yīng)，b2在 500 kV以上增加得就很慢了。目前有200 kV、300 kV和1000 kV的商品電鏡。法國(guó)和日本有3000 kV的特制電鏡。HVEM除加速筒以外與一般 TEM相似，只是尺寸放大了。1000 kV的電鏡有兩層樓高。放大尺寸后，樣品周圍空間增大，便于安置各種處理樣品的附件，如拉伸、加熱、冷卻、化學(xué)反應(yīng)等副件，并能把它們與傾斜樣品臺(tái)結(jié)合起來；還可以做動(dòng)態(tài)觀察，用電視記錄樣品處理過程中的變化。高能量的電子能造成樣品中的輻射損傷，這對(duì)研究材料輻射損傷的微觀機(jī)理帶來極大的方便。
（2） 高分辨電鏡（HREM） 提高加速電壓，使電子波長(zhǎng)更短，能提高分辨本領(lǐng)。由于技術(shù)上的難度高，所以至70年代初超高壓電鏡主要針對(duì)提高穿透率。70年代末至80年代初技術(shù)上的提高帶來了200 kV、300 kV的高分辨商品電鏡及個(gè)別500 kV、600 kV和1000 kV的HREM。分辨本領(lǐng)能達(dá)2 Å左右。不久將能達(dá)到1.5 Å 。由于生物學(xué)分子極易被輻照損傷，所以目前HREM主要用于觀察無機(jī)材料中的原子排列。
透射電子顯微鏡的光路示意圖
2、掃描電鏡 （SEM）
主要用于直接觀察固體表面的形貌,其原理如圖2掃描電子顯微鏡的原理圖所示。先利用電子透鏡將一個(gè)電子束斑縮小到幾十埃，用偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)使電子束在樣品面上作光柵掃描。電子束在它所到之處激發(fā)出次級(jí)電子，經(jīng)探測(cè)器收集后成為信號(hào)，調(diào)制一個(gè)同步掃描的顯像管的亮度，顯示出圖像。樣品表面上的凹凸不平使某些局部朝向次級(jí)電子探測(cè)器，另一些背向探測(cè)器。朝向探測(cè)器的部分發(fā)出的次級(jí)電子被集收得多，就顯得亮，反之就顯得暗，由此產(chǎn)生陰陽面、富有立體感的圖像。像的放大倍數(shù)為顯像管的掃描幅度比上樣品面上電子束的掃描幅度。SEM的分辨本領(lǐng)比電子束斑直徑略大。目前SEM的分辨本領(lǐng)能達(dá)60 Å 。
3、掃描透射電鏡（STEM）
成像方式與掃描電鏡相似，不過接收的不是次級(jí)電子而是透射電子（包括部分小角散射電子）。樣品也必須是薄膜，STEM的分辨本領(lǐng)與電子束斑直徑相當(dāng)。專門的STEM用高亮度場(chǎng)致發(fā)射電子槍（要求10-10托的超高真空）。分辨本領(lǐng)能達(dá)3 Å 。利用這種STEM已觀察到輕元素支持膜上的單個(gè)重原子。對(duì)實(shí)際工作尤為重要的是可以利用它的微小電子束斑作極微區(qū)（幾十埃）的晶體結(jié)構(gòu)分析（用電子衍射）和成分分析（用電子束激發(fā)的標(biāo)識(shí)X 射線或者用電子能量損失譜）。目前商品TEM可以帶有STEM附件,不過因?yàn)闆]有高亮度場(chǎng)致發(fā)射槍，所以只能將束斑縮到幾十埃。能做約100 Å范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)和成分分析。能在觀察顯微像的同時(shí)在其任意一個(gè)微小的局部做上述分析的電鏡叫“分析電鏡”。
掃描電子顯微鏡的原理圖
l 電子顯微鏡襯度（反差）的來源
按各種電鏡分別敘述
1、透射電鏡
TEM襯度的形成,物鏡后焦面是起重要作用的部位。電子經(jīng)樣品散射后，相對(duì)光軸以同一角度進(jìn)入物鏡的電子在物鏡后焦面上聚焦在一個(gè)點(diǎn)上。散射角越大，聚焦點(diǎn)離軸越遠(yuǎn),如果樣品是一個(gè)晶體,在后焦面上出現(xiàn)的是一幅衍射圖樣。與短晶面間距（或者說“高空間頻率”）對(duì)應(yīng)的衍射束被聚焦在離軸遠(yuǎn)處。在后焦面上設(shè)有一個(gè)光闌。它截取那一部分電子不但對(duì)襯度，而且對(duì)分辨本領(lǐng)有直接的影響。如果光闌太小，把需要的高空間頻率部分截去，那么和細(xì)微結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的高分辨信息就丟失了（見阿貝成像原理）。
樣品上厚的部分或重元素多的部分對(duì)電子散射的幾率大。透過這些部分的電子在后焦面上分布在軸外的多。用光闌截去部分散射電子會(huì)使“質(zhì)量厚度”大的部位在像中顯得暗。這種襯度可以人為地造成，如生物樣品中用重元素染色，在材料表面的復(fù)形膜上從一個(gè)方向噴鍍一層金屬，造成陰陽面等。散射吸收（指被光闌擋?。┮r度是zui早被人們所認(rèn)識(shí)和利用的襯度機(jī)制。就表面復(fù)型技術(shù)而言，它的分辨本領(lǐng)可達(dá)幾十埃。至于晶體樣品的衍襯像和高分辨的點(diǎn)陣像的襯度來源，見點(diǎn)陣像和電子衍襯像。
2、掃描電鏡
除次級(jí)電子外，用背散射電子（經(jīng)過多次散射后又從試樣表面出來的入射電子）成像可辨別原子序數(shù)的差別。用標(biāo)識(shí)X 射線成像可辨別元素分布。其他效應(yīng)如陰極熒光、電子束誘導(dǎo)電流在半導(dǎo)體材料和器件中有其應(yīng)用。用電子溝道效應(yīng)可得出晶體取向信息。
掃描透射電鏡與TEM之間有一個(gè)倒易關(guān)系。如果一個(gè)STEM中入射電子的孔徑角與一個(gè) TEM中出射電子的孔徑角相等,STEM的出射孔徑角也與TEM的入射孔徑角相等，那么兩者圖像的反差就相同。