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探索物质结构之透射电子显微镜 透射电子显微镜

透射电子显微镜(用于探索物质结构的透射电子显微镜)
【探索物质结构之透射电子显微镜 透射电子显微镜】
眼睛是人类认识客观世界的第一个“光学仪器” ， 但能力有限 。一般认为人眼的分辨率为0.1毫米..17世纪初 ， 光学显微镜(图1)出现 ， 可以把小物体放大到一千倍以上 ， 分辨率比人眼提高了500多倍 。这也是人类认识物质世界的一大突破 。随着科学技术的不断发展 ， 直接观测原子是人们的夙愿 ， 而电子显微镜的出现为人们实现这一夙愿提供了可能 。随着电子显微镜的不断发展和进步 ， 透射电子显微镜(图2)的分辨率已经达到了亚埃级 ， 电子显微镜已经成为材料科学领域不可或缺的表征手段 。此外 ， 结合电子显微镜、纳米科学、生物学等 。使得电子显微镜的功能日益扩展 ， 也促进了这些领域的快速发展 。
图1罗伯特·胡克发明的光学显微镜(来源:Baidu.com)
图2 HT7700-日立透射电子显微镜(来源:Baidu.com)
透射电子显微镜的起源和发展
透射电子显微镜起源于20世纪20-30年代 。1924年 ， 德布罗意提出粒子具有波动性 。从1926年到1927年 ， 戴维孙、热默和汤普森·里德在实验中发现了电子衍射 ， 从而证明了电子的涨落 。因此 ， 他们想到可以用电子代替可见光来制作电子显微镜 ， 从而克服光波长对分辨率的限制 。1926年 ， 德国学者Busch提出利用轴对称磁场聚焦电子是可能的 ， 这为电子显微镜的制作提供了理论基础 。1933年 ， 鲁斯卡等人制造了世界上第一台透射电子显微镜 。1934年 ， 电子显微镜的分辨率达到500 ， 鲁斯卡获得了1986年的诺贝尔物理学奖 。1939年 ， 德国西门子公司制造了世界上第一台分辨率优于100的商用透射电子显微镜(TEM) 。之后 ， 美国亚利桑那州立大学物理系Cowley教授对相衬图像进行了定量解释 ， 即所谓的高分辨率图像(高分辨率TEM图像见图3) ， 从而建立和完善了高分辨率电子显微术的理论和技术 。高分辨率电子显微镜可以成像大多数晶体中的原子排列 。目前 ， 高分辨率电子显微镜已广泛应用于电子显微学 ， 其分辨率已达到1 ~ 2 。
图3高分辨率TEM图像(来源:Baidu.com)
除了波长限制了透射电镜的分辨率 ， 透射电镜的像差 ， 包括色差、球差、像散和畸变 ， 也使得透射电镜的分辨率难以突破1 。20世纪末 ， 球面像差校正器研制成功 。球差校正电镜减少了非定域效应的影响 ， 进一步提高了透射电镜的分辨率 ， 达到了亚埃级 。随着球差校正电子显微镜的普及 ， 球差校正电子显微镜正在逐步形成和发展 。此外 ， 近20年来 ， 随着电子显微镜的不断发展 ， 扫描透射电子显微镜技术(STEM Figure 4为其图像)已成为一种广泛使用的表征方法 。与传统的高分辨率相衬成像技术相比 ， 扫描透射电子显微镜具有分辨率高、对化学成分敏感、图像直观、易于判读等优点 。其中 ， 高分辨率扫描透射电镜可以直接获得原子分辨率的Z衬度图像 。结合X射线能谱和电子损失谱 ， 还可以得到原子分辨率的元素分布图和单个原子阵列的能量损失谱 。因此 ， 在一次实验中就可以获得原子分辨结构、化学成分和电子结构的信息 。
图4富锂材料表面的STEM图像
透射电子显微镜的应用
透射电子显微镜具有分辨率高的优点 ， 可以与其他技术相结合 。广泛应用于材料科学、物理、化学、生物等领域 。
材料的微观结构对材料的力学、光学、电学等物理化学性质起着决定性的作用 。透射电子显微镜作为材料表征的重要手段 ， 不仅可以在衍射模式下研究晶体结构 ， 还可以在成像模式下获得real 空之间的高分辨率图像 ， 即直接对材料中的原子成像 ， 直接观察材料的微观结构 。电子技术在促进新材料的发现方面也起了很大的作用 。借助透射电子显微镜 ， D.Shechtman发现了准晶体 ， 重新定义了晶体 ， 丰富了材料科学、晶体学和凝聚态物理的内涵 。D.Shechtman获得2011年诺贝尔化学奖 。
在物理学领域 ， 电子全息术可以同时提供电子波的振幅和相位信息 ， 这使得这种先进的微观分析方法被广泛应用于与相位密切相关的磁场和电场分布的研究 。目前 ， 电子全息术已用于测量半导体多层薄膜器件的电场分布和磁性材料中的磁畴分布 。中国科学院物理研究所的张哲、朱滔等 。利用高分辨电子显微镜和电子全息术研究了退火处理前后钴基磁性隧道结的微观结构以及相应势垒层结构的变化 。结果表明 ， 退火处理可以明显改善阻挡层与上下电极的界面质量 ， 改善阻挡层本身的结构 。


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