电子显微镜的原理和分类

http://www.microimage.com.cn(2008-05-16 14:58:34)

l  电子显微镜的原理

电子显微镜是一种电子仪器设备,可用来详细研究电子发射体表面电子的放射情形。其放大倍数和分辨率都比光学显微镜高得多。因为普通光学显微镜的放大倍数和分辨率有限,无法观测到微小物体。以电子束来代替可见光束,观察物体时,分辨率就没有波长要在可见光谱之内的限制,不过电子透镜无法作得像光学透镜那样完美。因此理论上,电子显微镜所具有的分辨率并不可靠。目前电子显微镜的分辨率可达10-7厘米(约为原子直径的两倍)。通常电子显微镜的放大率是200200 000倍,再经照相放大可达1000 000倍。电子显微镜有两大类:(1)发射型。(2)电磁、静电扫描型。前者用于研究电子放射现象;后者用以增加普通光学显微镜的应用范围。1924年法国物理学家德布洛意指出电子和其他的粒子也都具有和光类似的波动性质。他还求出了计算它们波长的公式:

λ=/(mv)式中m是粒子的质量而v是它的速度,h是普朗克常数。此公式发明的年代较早,后来由美国科学家德维生及革末用实验证明其正确性。既然正确,也就告诉人们:虽然电子是一种可称重量,可数数目,可以被电子枪发射的粒子,但它同时又是一种波。从公式中我们可以看到,如果使电子运动的速度十分巨大的话,它就可以明显地显示出波长极短的波动性。如果在光学显微镜中被观察物的大小比光波波长还小的话,人们就不能分辨出来。在实用上通常取波长λ的三分之一作为限度,光波波长约在6×10-5厘米左右,它的三分之一就是2×10-5厘米了。然而,有很多科学家急待观察的微小东西如病毒体、胶体粒子及结晶结构的大小都在这限度以下,既然如此,如果我们把一颗运动中的电子加速,使它产生巨大的速度,从而有极短的波长,则利用此原理制成的电子显微镜就能观察到极微小的物体了。把电子加速的办法是在真空中加上若干万伏的高电压,电子就会以极快的速度射出,其波长可能会达到4×10-5厘米这样短的长度,也就是说,电子显微镜可以看到1.4×10-10cm 这样小的物体。当然这是理论上的结果,在实际上由于仪器等等原因,不可能达到这样理想的地步。但无论如何,电子显微镜已可以放大五万倍以上;而有些精良到可将物体放大十万倍。电子显微镜中有一个电子枪,电子在枪集束射出,正像光学显微镜中利用光学透镜的成像作用得到显微的放大像一样,在电子显微镜中用磁透镜,使电子束会聚成像。我们把一片待观察的物体,例如一片很薄的晶体,放在电子显微镜中,电子束就会射向这片物体上,在一块荧光幕上就会得到一个放大的影像。如果在电子显微镜中用感光的底片代替荧幕的话就可以得到一张微观世界的珍贵图片。而一些特别好的电子显微镜,甚至可以观察到一些巨分子的结构!这些图片在科学研究上的价值十分重大。当然,在电子显微镜中不会这样简单,它要涉及电子射线通过物体产生不同的散射而造成明暗不同的影响。最近,有些电子显微镜是利用电子束的反射来观察较厚的物体例如病菌、病毒及其他极微小物体的巨分子组织。而最新的显微镜用的却不是电子显微镜,而是离子显微镜借以达到更短的波长,米勒曾经利用氦的离子显微镜成功地拍摄到金属表面的单独分子运动。这种离子显微镜可以分辨原子之间相隔百万分之二十七厘米的空隙,它是目前显微镜中最好的一种。

 

l  电子显微镜的分类

1 透射电镜 (TEM)

样品必须制成电子能穿透的,厚度为1002000 Å的薄膜。成像方式与光学生物显微镜相似,只是以电子透镜代替玻璃透镜。放大后的电子像在荧光屏上显示出来。图1 透射电子显微镜的光路示意图是其光路示意图。TEM的分辨本领能达 3 Å左右。在特殊情况下能更高些。

  (1)超高压电镜 (HVEM) 是一种TEM,不过常用的 TEM加速电压为 100 kV。只能穿透几千埃厚的样品。电子的穿透能力随 b2 v2/c2 ( 电子速度与光速之比 )而增。由于相对论性效应,b2 500 kV以上增加得就很慢了。目前有200 kV300 kV1000 kV的商品电镜。法国和日本有3000 kV的特制电镜。HVEM除加速筒以外与一般 TEM相似,只是尺寸放大了。1000 kV的电镜有两层楼高。放大尺寸后,样品周围空间增大,便于安置各种处理样品的附件,如拉伸、加热、冷却、化学反应等副件,并能把它们与倾斜样品台结合起来;还可以做动态观察,用电视记录样品处理过程中的变化。高能量的电子能造成样品中的辐射损伤,这对研究材料辐射损伤的微观机理带来极大的方便。

  (2) 高分辨电镜(HREM) 提高加速电压,使电子波长更短,能提高分辨本领。由于技术上的难度高,所以至70年代初超高压电镜主要针对提高穿透率。70年代末至80年代初技术上的提高带来了200 kV300 kV的高分辨商品电镜及个别500 kV600 kV1000 kVHREM。分辨本领能达2 Å左右。不久将能达到1.5 Å 。由于生物学分子极易被辐照损伤,所以目前HREM主要用于观察无机材料中的原子排列。

透射电子显微镜的光路示意图

 

2、扫描电镜 (SEM)

   主要用于直接观察固体表面的形貌,其原理如图2扫描电子显微镜的原理图所示。先利用电子透镜将一个电子束斑缩小到几十埃,用偏转系统使电子束在样品面上作光栅扫描。电子束在它所到之处激发出次级电子,经探测器收集后成为信号,调制一个同步扫描的显像管的亮度,显示出图像。样品表面上的凹凸不平使某些局部朝向次级电子探测器,另一些背向探测器。朝向探测器的部分发出的次级电子被集收得多,就显得亮,反之就显得暗,由此产生阴阳面、富有立体感的图像。像的放大倍数为显像管的扫描幅度比上样品面上电子束的扫描幅度。SEM的分辨本领比电子束斑直径略大。目前SEM的分辨本领能达60 Å

3、扫描透射电镜(STEM)

成像方式与扫描电镜相似,不过接收的不是次级电子而是透射电子(包括部分小角散射电子)。样品也必须是薄膜,STEM的分辨本领与电子束斑直径相当。专门的STEM用高亮度场致发射电子枪(要求10-10托的超高真空)。分辨本领能达3 Å 。利用这种STEM已观察到轻元素支持膜上的单个重原子。对实际工作尤为重要的是可以利用它的微小电子束斑作极微区(几十埃)的晶体结构分析(用电子衍射)和成分分析(用电子束激发的标识X 射线或者用电子能量损失谱)。目前商品TEM可以带有STEM附件,不过因为没有高亮度场致发射枪,所以只能将束斑缩到几十埃。能做约100 Å范围内的结构和成分分析。能在观察显微像的同时在其任意一个微小的局部做上述分析的电镜叫分析电镜

扫描电子显微镜的原理图

 

l  电子显微镜衬度(反差)的来源

按各种电镜分别叙述

1、透射电镜

TEM衬度的形成,物镜后焦面是起重要作用的部位。电子经样品散射后,相对光轴以同一角度进入物镜的电子在物镜后焦面上聚焦在一个点上。散射角越大,聚焦点离轴越远,如果样品是一个晶体,在后焦面上出现的是一幅衍射图样。与短晶面间距(或者说高空间频率)对应的衍射束被聚焦在离轴远处。在后焦面上设有一个光阑。它截取那一部分电子不但对衬度,而且对分辨本领有直接的影响。如果光阑太小,把需要的高空间频率部分截去,那么和细微结构对应的高分辨信息就丢失了(见阿贝成像原理)。

样品上厚的部分或重元素多的部分对电子散射的几率大。透过这些部分的电子在后焦面上分布在轴外的多。用光阑截去部分散射电子会使质量厚度大的部位在像中显得暗。这种衬度可以人为地造成,如生物样品中用重元素染色,在材料表面的复形膜上从一个方向喷镀一层金属,造成阴阳面等。散射吸收(指被光阑挡住)衬度是最早被人们所认识和利用的衬度机制。就表面复型技术而言,它的分辨本领可达几十埃。至于晶体样品的衍衬像和高分辨的点阵像的衬度来源,见点阵像和电子衍衬像。

2、扫描电镜

除次级电子外,用背散射电子(经过多次散射后又从试样表面出来的入射电子)成像可辨别原子序数的差别。用标识X 射线成像可辨别元素分布。其他效应如阴极荧光、电子束诱导电流在半导体材料和器件中有其应用。用电子沟道效应可得出晶体取向信息。

扫描透射电镜与TEM之间有一个倒易关系。如果一个STEM中入射电子的孔径角与一个 TEM中出射电子的孔径角相等,STEM的出射孔径角也与TEM的入射孔径角相等,那么两者图像的反差就相同。

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