略論“電子顯微分析”課程教學

[摘 要] 該文認為，電子顯微鏡是研究物質微觀結構關鍵技術，因此“電子顯微分析”課程是生物，醫學，材料，化學和物理等相關研究專業碩博研究生的核心課程之一。由于課程對學生基礎理論要求較高，知識點復雜，枯燥不易學，如何讓學生掌握該課程內容，成為教學難點。實踐表明：將課程中的理論知識與儀器設備操作，以及實際的數據分析相結合，有助于學生對知識點的理解，提高學習的積極性，達到提升教學成果的目的。

[關鍵詞] 電子顯微分析;課程教學;理論實踐

[作者簡介] 沈永龍（1982—），男，工學博士，鄭州大學材料與科學工程學院講師，碩士生導師，主要從事半導體薄膜及器件、材料結構高端表征、材料物理等研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）17-0256-02 ? ?[收稿日期] 2019-10-10

一、前言

隨著科技的進步，人類對科學研究的不斷深入，需要更好地觀察物質的微觀結構，從放大鏡到光學顯微鏡，直到現在的電子顯微鏡得到廣泛的應用。之所以用到了電子顯微分析技術，是由于可見光波長限制了光學顯微鏡的圖像分辨率[1]，如今較好的電子顯微鏡的圖像分辨率可以達到0.1nm以上。電子顯微分析技術在材料、化學、生物、物理、醫學等研究領域起著至關重要的作用，因此“電子顯微分析”課程成為相關研究專業碩博研究生的核心課程之一。希望學生們通過對該課程的學習，可以對以后的科研工作提供一個更好的分析方法和對實驗結果的準確分析，從而更好的分析驗證實驗所得結論。從2018年開始，筆者所在學校材料科學與工程學院結合以往的教學模式，為研究生提供更加近距離的學習高端分析手段的機會，實行理論與操作相互結合，面向全院研究生，開設了2個學分32學時的“電子顯微分析”課程。

二、電子顯微分析技術的發展與分類

1925年，Louis de Broglie首先提出了電子的波動性理論，并且電子波長遠小于可見光波長，這一理論的提出為電子顯微分析奠定了理論基礎。1927年，Davisson和Germer，Thomson和Reid兩個研究組分別獨立證實了電子具有波動性，隨后1932年Ruska和Knoll首次在論文中提出電子顯微鏡的概念，并且實現了電子透鏡成像的設想，為此在1986年獲得諾貝爾物理學獎。第一臺商業透射電子顯微鏡在1936年由英國一家公司生產建造。隨著電鏡的不斷發展，又先后出現了球差電鏡和冷凍電鏡。對于掃描電鏡，德國的Knoll在1935年提出了掃描電鏡的工作原理。1942年，Zworykin.Hill制成第一臺掃描電子顯微鏡，但僅在實驗室中使用，直到1965年才真正作為商業用途。目前，電子顯微鏡在追求高分辨率和高質量圖像的同時，也在追求多功能化，從而出現了多種復合電鏡，如掃描透射電子顯微鏡等。

電子顯微分析從電子束的形式來分，可以分成掃描電子分析和透射電子分析[2]。對于電子顯微鏡來說，可以分為掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡。其中掃描電子顯微鏡根據電子槍的不同分為鎢燈絲、六硼化鑭燈絲和場發射三種，鎢燈絲、六硼化鑭燈絲都屬于熱發射[3]，而場發射又分為冷場和熱場兩種，一般在掃描電鏡中使用冷場發射。透射電子顯微鏡種類很多，包括高壓TEM（1MV-3MV）、中間電壓TEM（IVEM）（200-400kV）、低壓TEM（LVEM）（<100kV）、高分辨率TEM（HRTEM）、掃描TEM（STEM）、分析TEM（AEM）、球差電鏡和冷凍電鏡等。

三、課程的主要要求、內容及安排

開設本課程的主要要求：了解電子顯微分析技術的發展歷程及最新進展;了解電子與物質的相互作用;掌握透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡的主要結構和工作原理;了解和掌握不同樣品的制備方法;掌握電子衍射分析和衍射譜圖的標定;對電子顯微分析有初步的了解，掌握不同的電子顯微分析技術在材料領域的應用。

課程內容主要分為理論基礎、透射電子顯微分析（TEM）、掃描透射電子顯微分析（STEM）、能譜分析（EDX）和能量損失譜（EELS）等，透射電子顯微分析是本課程的重心所在。透射電子分析包括以下四部分：

第一部分簡單的介紹透射電子顯微鏡技術的發展，隨后講解了透射電子顯微鏡的應用以及選擇透射電子顯微鏡的原因，最后提到對于透射電子顯微分析也存在自身的問題，比如高分辨成像的代價就是取樣范圍很小，單一的TEM圖像對深度不敏感，電子束損傷樣品，以及樣品制備困難等。

第二部分主要講解理論基礎，其中包括電子的散射和衍射及其特點，透射電子顯微鏡中是如何利用電子散射的，彈性散射是TEM圖像襯度的來源，是衍射花樣中產生強度分布的主要因素，對于非彈性衍射的研究，通過其它附加儀器，來探測和解析不同信號，就可以更加全面的了解樣品。

第三部分對透射電子顯微鏡的設備進行講解學習，TEM的主要構成包括電子源、電子槍、透鏡、光闌、觀察屏、電子探測器、真空泵和樣品桿。能滿足TEM使用的電子源目前有兩種，一種是熱發射電子源（包括W燈絲和LaB6晶體）另一種是場發射電子源，采用的是很細的針狀W絲。TEM中透鏡的兩個基本功能：一是把從物體中一點發出的所有光線在像上會聚到一點;二是把平行光會聚到透鏡焦平面上的一點。由于氣體對電子的散射很強，同時高真空對于保持樣品表面的清潔非常重要所以在測試過程中需要很高的真空條件。

第四部分為電子衍射，分別講解了晶體學基礎、衍射基礎、平行束電子衍射花樣的標定、菊池線和會聚束衍射分析。本章節主要是為了讓學生掌握電子衍射花樣的標定以及數據的分析，為以后的科研學習提供幫助。

課程安排：①第一部分安排4個學時進行課堂講解學習;②第二、三、四部分分別安排8個學時進行課堂學習;③最后4個學時，將帶領同學們進入實驗室，進行透射電子顯微鏡的操作學習。

四、結語

在科技發展極其迅速的當今時代，為研究生提供一次學習高端分析手段的機會，會為以后的科研生涯帶來諸多益處。通過對本課程的學習，同學們對電子顯微分析有了更加深層次的了解和掌握，在最后對儀器的操作學習中不僅是對理論知識的鞏固，更是對透射電子顯微鏡儀器的了解。同時在對“電子顯微分析”的教學過程中，讓我明白了對于學生來說老師的課堂上理論教學其實更需要與實際操作相結合，讓學生學以致用才是作為一名老師最應該傳授給學生的。本課程的開設旨在培養具有扎實學科的基礎知識，又可以掌握先進的技術及設備全方面發展的應用型人才。

參考文獻

[1]蔡浩原.高分辨率表面等離子體顯微鏡綜述[J].中國光學，2014，7（5）：691-700.

[2]田青超，陳家光.材料電子顯微分析與應用[J].理化檢驗：物理分冊，2010，（1）：21-25.

[3]陳木子，高偉建，張勇，馮善娥.淺談掃描電子顯微鏡的結構及維護[J].分析儀器，2013，（4）：91-93.

Abstract：Electron microscopy is the critical technique for studying the microstructure of matter.Therefore，Electron Micro-analysis is one of the core courses of postgraduate students in biology，medicine，materials，chemistry and physics，etc.Because the curriculum has higher requirements on students' background knowledge，the features of which are complicated，boring and difficult to learn.How to make students understand the content of the course becomes a difficult teaching point.Practice shows that through combining the theoretical knowledge in the course with the operation of instruments，as well as the actual data analysis，our course can help students to understand the knowledge points better，improve the enthusiasm of learning，and achieve the purpose of improving teaching results.

Key words：electron micro-analysis;course teaching;theoretical practice