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透射电镜基本知识

透射电镜基本知识

电子显微学介绍 ---- 人们对物质微观结构的认识进程

俞大鹏

    电子显微学是一门探索电子与固态物质结构相互作用的科学,电子显微镜把人眼睛的分辩能力从大约0.2 mm拓展至亚原子量级(<1 A),大大增强了人们观察世界的能力。电子显微学开始于上世纪30年代,经过几十年的不断发展和完善,现在已经成为凝聚态物理、半导体电子技术、材料、化学、生物、地质等多学科的非常重要的研究手段。尤其是,随着科学技术发展进入纳米科技时代,电子显微镜更是显示出其强大的威力。可以说,假如没有电子显微镜,现代科学技术是不可想象的,它的发展与其他学科的发展息息相关,密切联系在一块的。

以下是电子显微学发展史上一些重要的进程:

     世界上第一台电子显微镜始创于1932年,它由德国科学家Ruska研制,奠定了利用电子束研究物质微观结构基础;

图1-2 德国科学家Ruska(左)与他的第一台电子显微镜(1932年)

    1946年,Boersch在研究电子与原子的相互作用时提出,原子会对电子波进行调制,改变电子的相位。他认为利用电子的相位变化,有可能观察到单个原子,分析固体中原子的排列方式。这一理论实际上成为现代实验高分辨电子显微分析方法的理论依据;
     1947年,德国科学家Scherzer提出,磁透镜的欠聚焦(即所谓的Scherzer最佳聚焦,而非通常的高斯正焦)能够补偿因透镜缺陷(球差)引起的相位差,从而可显著提高电子显微镜的空间分辨率;
     1956年,英国剑桥大学的 Peter Hirsch教授等人不仅在如何制备对电子透明的超薄样品,并观察其中的结构缺陷实验方法方面有所突破,更重要的是他们建立和完善了一整套薄晶体中结构缺陷的电子衍射动力学衬度理论。运用这套动力学衬度理论,他们成功解释了薄晶体中所观察到的结构缺陷的衬度像。因此50~60年代是电子显微学蓬勃发展的时期,成为电子显微学最重要的里程碑;
晶体理论强度、位错的直接观察-50-60年代电子显微学的最大贡献;
     1957年,美国Arizona洲立大学物理系的Cowley教授等利用物理光学方法来研究电子与固体的相互作用,并用所谓“多层法”计算相位衬度随样品厚度、欠焦量的变化,从而定量解释所观察到的相位衬度像,即所谓高分辨像。Cowley教授建立和完善了高分辨电子显微学的理基础;
     1971年,Iijima等人首次获得了可解释的氧化物晶体的高分辨电镜像,证实了他们所看到的高分辨像与晶体结构具有对应关系,是晶体结构沿特定方向的二维投影;
图1-3 日本科学家饭岛(Iijima)在WO3-x晶体中获得了的可解释的高分辨透射电子显微镜像(1971年)
      70~80年代,分析型电子显微技术兴起、发展,可在微米、纳米区域进行成分、结构等微分析;
 1982年,英国科学家Klug利用高分辨电子显微技术,研究了生物蛋白质复合体的晶体结构,因而获得了诺贝尔化学奖;
       1984年,美国国家标准局的Shechtman等科学家、中科院沈阳金属所的郭可信教授等,利用透射电子显微技术,发现了具有5次、8次、10次,及12次对称性的新的有序结构----准晶体,极大地丰富了材料、晶体学、凝聚态物理研究的内涵;
        1982年,瑞士IBM公司的G. Binning, H. Rohrer等人发明了扫描隧道显微镜(STM)。他们和电子显微镜的发明者Ruska一同获得1986年诺贝尔物理奖;

        1991年,日本的Iijima教授利用高分辨电子显微镜研究电弧放电阴极产物时,发现了直径仅几十纳米的碳纳米管。


      现代电子显微学已经发展的相当完备,从与固体作用方式上,可分为扫描电镜和透射电镜,本课程仅讲授相关的透射电子显微学部分。从实验方法上分,透射电子显微方法包括选区电子衍射(SAED)、衍射衬度分析、汇聚束衍射(CBED)、高分辨分析(HREM)、微区成分分析(EDS、EELs),及Z衬度分析等。现在还发展了电子全息分析和电子结构分析等。

      现在,通过计算机辅助修正,可以实现零或负值的球差系数,大大提高了透射电镜的空间分辨率,达到低于0.1 纳米的点分辨率。另外,通过单色仪等,可以使电子束的能力分辨率低于0.1 eV,大大提高了能量分辩能力。


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