透射電子顯微鏡技術

張新陽

摘要：本文主要從透射電子顯微鏡技術的發展簡史及物理原理出發，然后簡要說明了透射電子顯微鏡技術的優缺點及其應用。

關鍵詞：透射電子顯微鏡技術 透射電子顯微鏡技術的應用

一、透射電子顯微鏡技術概述

透射電子顯微鏡（Transmission electron microscope，縮寫TEM），簡稱透射電鏡，是把經加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關，因此可以形成明暗不同的影像，影像將在放大、聚焦后在成像器件（如熒光屏、膠片、以及感光耦合組件）上顯示出來。透射電子顯微鏡的發展要追溯到很久以前，第一臺TEM由馬克斯·克諾爾和恩斯特·魯斯卡在1931年研制，這個研究組于1933年研制了第一臺分辨率超過可見光的TEM，而第一臺商用TEM于1939年研制成功。恩斯特·阿貝最開始指出，對物體細節的分辨率受到用于成像的光波波長的限制，因此使用光學顯微鏡僅能對微米級的結構進行放大觀察。通過使用由奧古斯特·柯勒和莫里茨·馮·羅爾研制的紫外光顯微鏡，可以將極限分辨率提升約一倍。然而，由于常用的玻璃會吸收紫外線，這種方法需要更昂貴的石英光學元件。1858年，尤利烏斯·普呂克認識到可以通過使用磁場來使陰極射線彎曲，這個效應在1897年就由曾經被費迪南德·布勞恩用來制造一種被稱為陰極射線示波器的測量設備。而實際上在1891年，里克就認識到使用磁場可以使陰極射線聚焦。后來，漢斯·布斯在1926年證明了制鏡者方程在適當的條件下可以用于電子射線。1928年，柏林科技大學的高電壓技術教授阿道夫·馬蒂亞斯讓馬克斯·克諾爾來領導一個研究小組來改進陰極射線示波器。這組研究人員考慮了透鏡設計和示波器的列排列，1931年，這個研究組成功的產生了在陽極光圈上放置的網格的電子放大圖像。這個設備使用了兩個磁透鏡來達到更高的放大倍數，因此被稱為第一臺電子顯微鏡。在同一年，西門子公司的研究室主任萊因霍爾德·盧登堡提出了電子顯微鏡的靜電透鏡的專利。1927年，徳布羅意發表的論文中揭示了電子這種本認為是帶有電荷的物質粒子的波動特性。透射電子顯微鏡研究組直到1932年才知道了這篇論文，1932年四月，魯斯卡建議建造一種新的電子顯微鏡以直接觀察插入顯微鏡的樣品，而不是觀察格點或者光圈的像。通過這個設備，人們成功的得到了鋁片的衍射圖像和正常圖像，然而，其超過了光學顯微鏡的分辨率的特點仍然沒有得到完全的證明。

二、透射電子顯微鏡成像的幾種原理

電子顯微鏡與光學顯微鏡的成像原理基本一樣，所不同的是前者用電子束作光源，用電磁場作透鏡。由電子槍發射出來的電子束，在真空通道中沿著鏡體光軸穿越聚光鏡，通過聚光鏡將之會聚成一束尖細、明亮而又均勻的光斑，照射在樣品室內的樣品上；透過樣品后的電子束攜帶有樣品內部的結構信息，樣品內致密處透過的電子量少，稀疏處透過的電子量多；經過物鏡的會聚調焦和初級放大后，電子束進入下級的中間透鏡和第1、第2投影鏡進行綜合放大成像，最終被放大了的電子影像投射在觀察室內的熒光屏板上；熒光屏將電子影像轉化為可見光影像以供使用者觀察。透射電子顯微鏡的成像原理可分為三種情況：（1）吸收像：當電子射到質量、密度大的樣品時，主要的成相作用是散射作用。樣品上質量厚度大的地方對電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理。（2）衍射像：電子束被樣品衍射后，樣品不同位置的衍射波振幅分布對應于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當出現晶體缺陷時，缺陷部分的衍射能力與完整區域不同，從而使衍射波的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。（3）相位像：當樣品薄至100？以下時，電子可以穿過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自于相位的變化。在放大倍數較低的時候，TEM成像的對比度主要是由于材料不同的厚度和成分造成對電子的吸收不同而造成的。而當放大率倍數較高的時候，復雜的波動作用會造成成像的亮度的不同，因此需要專業知識來對所得到的像進行分析。通過使用TEM不同的模式，可以通過物質的化學特性、晶體方向、電子結構、樣品造成的電子相移以及通常的對電子吸收對樣品成像。

三、透射電子顯微鏡的優缺點

電子顯微鏡常用的有透射電鏡（transmissionelectronmicroscope，TEM）和掃描電子顯微鏡（scanNIngelectronmicroscope，SEM）。透射電子顯微鏡，可以看到材料的內部，并且可以對材料的晶格排列進行測量，可以看到1nm的尺寸。與光鏡相比電鏡用電子束代替了可見光，用電磁透鏡代替了光學透鏡并使用熒光屏將肉眼不可見電子束成像。與光鏡相比電鏡用電子束代替了可見光，用電磁透鏡代替了光學透鏡并使用熒光屏將肉眼不可見電子束成像。由于電子的德布羅意波長非常短，透射電子顯微鏡的分辨率比光學顯微鏡高的很多，可以達到0.1～0.2nm，放大倍數為幾萬～百萬倍。因此，使用透射電子顯微鏡可以用于觀察樣品的精細結構，甚至可以用于觀察僅僅一列原子的結構，比光學顯微鏡所能夠觀察到的最小的結構小數萬倍。電子顯微鏡的放大倍數最高可達近百萬倍，由照明系統、成像系統、真空系統、記錄系統、電源系統5部分構成，如果細分的話：主體部分是電子透鏡和顯像記錄系統，由置于真空中的電子槍、聚光鏡、物樣室、 物鏡、衍射鏡、中間鏡、 投影鏡、熒光屏和照相機。電子顯微鏡是使用電子來展示物件的內部或表面的顯微鏡。高速的電子的波長比可見光的波長短（波粒二象性），而顯微鏡的分辨率受其使用的波長的限制，因此電子顯微鏡的理論分辨率（約0.1納米）遠高于光學顯微鏡的分辨率（約200納米）。在電子顯微鏡中樣本必須在真空中觀察，因此無法觀察活樣本。在處理樣本時可能會產生樣本本來沒有的結構，這加劇了此后分析圖像的難度。投射電子顯微鏡只能觀察非常薄的樣本，電子束的穿透力很弱，因此用于電鏡的標本須制成厚度約50nm左右的超薄切片，這種切片需要用超薄切片機（ultramicrotome）制作。以及透射電子顯微鏡樣品準備是需要的時間長。同時物質表面的結構有可能與物質內部的結構不同，電子束可能通過碰撞和加熱破壞樣本。現在的最新技術可以在電子顯微鏡中觀察濕的樣本和不涂導電層的樣本（環境掃描電子顯微鏡，Environmental Scanning Electron Microscopes，ESEM）。假如事先對樣本的情況比較清晰的話則可以基本上進行不破壞的觀察，此外電子顯微鏡購買和維護的價格都比較高。TEM的樣品準備是需要很長很長時間的。

四、總結

近些年來透射電子顯微鏡技術發展迅速，透射電子顯微鏡在材料科學、生物學這兩個領域應用比較多，在物理學以及其他相關的一些科學領域也是重要的分析方法。在材料科學領域，透射電子顯微鏡可以在材料的納米、微米區域進行物相的形貌觀察、成分測定和結構分析，可以提供與多相催化的本質有關的大量信息，指導新型工業催化劑的開發；還可以獲取催化劑中納米結構信息，表征多相催化劑方面；同時在礦物加工與利用的方面也有很大應用。在生物學領域，透射電鏡技術可觀察到小于0.2μm的細胞的超微結構，從而可在分子層面對果蔬樣品進行更深入的研究；透射電鏡技術可以應用于確定果蔬的最佳采摘期、采后貯藏條件以及選擇適宜的保鮮方法等方面。在物理學領域，透射電子顯微鏡被用于半導體的研究。透射電子顯微鏡應用廣泛但仍然具有一些缺點，需要進一步完善和改進。

參考文獻：

[1]李斗星，《透射電子顯微學的新進展Ⅰ透射電子顯微鏡及相關部件的發展及應用》，電子顯微學報

[2]《透射電子顯微鏡》，維基百科

[3]《透射電子顯微鏡》，百度百科