透射電子顯微鏡基本知識

1、透射電子顯微鏡基本知識透射電子顯微學(xué)介紹 人們觀察物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)能力的進(jìn)程俞大鵬電子顯微學(xué)是一門探索電子與固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)相互作用的科學(xué)， 電子顯微鏡把人眼睛的分 辯能力從大約 0.2 mm 拓展至亞原子量級（ <1 A） ，大大增強(qiáng)了人們觀察世界的能力。電子顯 微學(xué)開始于上世紀(jì) 30 年代，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)在已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理、半 導(dǎo)體電子技術(shù)、材料、化學(xué)、生物、地質(zhì)等多學(xué)科的非常重要的研究手段。尤其是，隨著科 學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)入納米科技時代， 電子顯微鏡更是顯示出其強(qiáng)大的威力。 可以說， 假如沒有電 子顯微鏡，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)是不可想象的，它的發(fā) 展與其他學(xué)科的發(fā)展息息相關(guān)，密切聯(lián)系

2、 在一塊的。以下是電子顯微學(xué)發(fā)展史上一些重要的進(jìn)程：§ 世界上第一臺電子顯微鏡始創(chuàng)于 1932 年，它由德國科學(xué)家 Ruska 研制，奠定了利用電 子束研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；§ 1946年， Boersch 在研究電子與原子的相互作用時提出，原子會對電子波進(jìn)行調(diào)制，改 變電子的相位。 他認(rèn)為利用電子的相位變化， 有可能觀察到單個原子， 分析固體中原子的排 列方式。這一理論實(shí)際上成為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)高分辨電子顯微分析方法的理論依據(jù)；§ 1947 年，德國科學(xué)家 Scherzer 提出，磁透鏡的欠聚焦（即所謂的Scherzer 最佳聚焦，而非通常的高斯正焦）能夠補(bǔ)償因透鏡缺陷

3、（球差）引起的相位差，從而可顯著提高電子顯 微鏡的空間分辨率；§ 1956 年，英國劍橋大學(xué)的 Peter Hirsch 教授等人不僅在如何制備對電子透明的超薄樣 品，并觀察其中的結(jié)構(gòu)缺陷實(shí)驗(yàn)方法方面有所突破， 更重要的是他們建立和完善了一整套薄 晶體中結(jié)構(gòu)缺陷的電子衍射動力學(xué)襯度理論。 運(yùn)用這套動力學(xué)襯度理論， 他們成功解釋了薄 晶體中所觀察到的結(jié)構(gòu)缺陷的襯度像。 因此 5060 年代是電子顯微學(xué)蓬勃發(fā)展的時期， 成為 電子顯微學(xué)最重要的里程碑；晶體理論強(qiáng)度、位錯的直接觀察 5060 年代電子顯微學(xué)的最大貢獻(xiàn)；§ 1957 年，美國 Arizona 洲立大學(xué)物理系的 Co

4、wley 教授等利用物理光學(xué)方法來研究電子 與固體的相互作用，并用所謂“多層法”計(jì)算相位襯度隨樣品厚度、欠焦量的變化，從而定 量解釋所觀察到的相位襯度像，即所謂高分辨像。 Cowley 教授建立和完善了高分辨電子顯 微學(xué)的理基礎(chǔ)；§ 1971 年， Iijima 等人首次獲得了可解釋的氧化物晶體的高分辨電鏡像， 證實(shí)了他們所看 到的高分辨像與晶體結(jié)構(gòu)具有對應(yīng)關(guān)系，是晶體結(jié)構(gòu)沿特定方向的二維投影；§ 7080 年代，分析型電子顯微技術(shù)興起、發(fā)展，可在微米、納米區(qū)域進(jìn)行成分、結(jié)構(gòu)等 微分析；§ 1982 年，英國科學(xué)家 Klug 利用高分辨電子顯微技術(shù)，研究了生物蛋白

5、質(zhì)復(fù)合體的晶體 結(jié)構(gòu)，因而獲得了諾貝爾化學(xué)獎；§ 1984 年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的 Shechtman 等科學(xué)家、中科院沈陽金屬所的郭可信教授等， 利用透射電子顯微技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了具有5 次、 8次、 10 次，及 12次對稱性的新的有序結(jié)構(gòu) 準(zhǔn)晶體，極大地豐富了材料、晶體學(xué)、凝聚態(tài)物理研究的內(nèi)涵；§ 1982 年，瑞士 IBM 公司的 G. Binning, H. Rohrer 等人發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（ STM ）。 他們和電子顯微鏡的發(fā)明者 Ruska 一同獲得 1986 年諾貝爾物理獎；§ 1991 年，日本的 Iijima 教授利用高分辨電子顯微鏡研究電弧放電

6、陰極產(chǎn)物時，發(fā)現(xiàn)了 直徑僅幾十納米的碳納米管。最新進(jìn)展： 德國科學(xué)家利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對磁透鏡進(jìn)行球差矯正，可以實(shí)現(xiàn)零球差，以及負(fù)球差，從而大大提高了透射電鏡的空間分辨本領(lǐng)，目前的最高點(diǎn)分辨率可以達(dá)到 0.1 納米，估計(jì) 5 年內(nèi)可以逼進(jìn) 0.05 納米的。此外，通過在電子束照明光源上加裝單色儀，可 以大大提高電鏡的能量分辨率，目前最高可以獲得 70 毫電子伏特的水平?，F(xiàn)代電子顯微學(xué)已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)完備， 從與固體作用方式上， 可分為掃描電鏡和透射電 鏡，本課程僅講授相關(guān)的透射電子顯微學(xué)部分。 從實(shí)驗(yàn)方法上分， 透射電子顯微方法包括選 區(qū)電子衍射（ SAED ）、衍射襯度分析、匯聚束衍射（ C

7、BED ）、高分辨分析（ HREM ）、微區(qū) 成分分析（ EDS、EELs ），及 Z 襯度分析 等?，F(xiàn)在還發(fā)展了電子全息分析和電子結(jié)構(gòu)分析 等?，F(xiàn)在， 通過計(jì)算機(jī)輔助修正， 可以實(shí)現(xiàn)零或負(fù)值的球差系數(shù)， 大大提高了透射電鏡的空 間分辨率， 達(dá)到低于 0.1 納米的點(diǎn)分辨率。另外， 通過單色儀等， 可以使電子束的能力分辨 率低于 0.1 eV ，大大提高了能量分辯能力。電子顯微學(xué)的特點(diǎn)與可解決的問題 同其他結(jié)構(gòu)表征手段相比，電子顯微學(xué)具有以下幾個方面的優(yōu)點(diǎn)： 一、 散射能力強(qiáng)：和X射線相比，電子束的散射能力是前者的一萬倍，因此可以在很微小區(qū)域獲得足夠的衍射強(qiáng)度，容易實(shí)現(xiàn)微、納米區(qū)域的加工與成份

8、研究。原子對電子的散射能量遠(yuǎn)大于 X 射線的散射能力即使是微小晶粒（納米晶體）亦可給出足夠強(qiáng)的衍射 動力學(xué)衍射和吸收強(qiáng)，只能穿透薄樣品三、波長短：Ewald 球半徑大，衍射圖有如一個倒易點(diǎn)陣平面直觀，容易發(fā)生新衍射現(xiàn)象d 值精度差四、束斑可聚焦：會聚束衍射（納米束衍射） ，可獲得三維衍射信息，有利于分析點(diǎn)群、空間群對稱性； 局域結(jié)構(gòu)五、成像：正空間信息：直接觀察結(jié)構(gòu)缺陷直接觀察原子團(tuán)（結(jié)構(gòu)像）直接觀察原子（原子像） ，包括 Z 襯度像六、衍射：倒空間信息：選擇衍射成像（衍襯像） ，獲得明場、暗場像有利結(jié)構(gòu)缺陷分析 從結(jié)構(gòu)像可能推出相位信息七、成分分析：微區(qū)分析X 射線能譜分析（ EDS ） 特

9、征電子能量損失譜（ EELS ） 元素分布像（ Element Mapping ）八、電子全息：電子波全部信息（相位和振幅）微觀電場、磁場分布微觀應(yīng)力場分布九、全部分析結(jié)果的數(shù)字化數(shù)據(jù)數(shù)字化，便于計(jì)算機(jī)存儲與處理，與信息平臺接軌析，電子顯微學(xué)不僅是 X 射線晶體學(xué)的強(qiáng)有力補(bǔ)充， 特別適合微晶、 薄膜等顯微結(jié)構(gòu)分 對于局域微結(jié)構(gòu)分析、尤其是納米結(jié)構(gòu)分析具有獨(dú)特的優(yōu)勢。電子顯微學(xué)不足及未來發(fā)展展望主要不足表現(xiàn)為：由于電子散射能力極強(qiáng)，容易發(fā)生二次衍射等，解釋困難； 由于為三維物體的二維平面投影像，有時像的不唯一性，解釋必須謹(jǐn)慎；超薄樣品（ 100 納 米以下），制樣過程復(fù)雜、困難，制樣有損傷；電子

10、束對樣品有輻照損傷，有時會產(chǎn)生非本征結(jié)構(gòu)（假像） ；未來發(fā)展展望 :1. 利用 EELS 精細(xì)結(jié)構(gòu)研究電子結(jié)構(gòu) ;2. 利用 Z 襯度， 真正實(shí)現(xiàn)原子的化學(xué)成份的分辨 ;結(jié)合正空間、 倒空間信息， 進(jìn)行三維重構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)原子水平的空間分辨本領(lǐng)。3. 最新進(jìn)展：德國科學(xué)家利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對磁透鏡進(jìn)行球差矯正，可以實(shí)現(xiàn)零球差， 以及負(fù)球差，從而大大提高了透射電鏡的空間分辨本領(lǐng)，目前的最高點(diǎn)分辨率可以達(dá)到 0.1 納米，估計(jì) 5 年內(nèi)可以逼進(jìn) 0.05 納米的。此外，通過在電子束照明光源上加裝單色儀，可 以大大提高電鏡的能量分辨率，目前最高可以獲得 70 毫電子伏特的水平。清華大學(xué)朱靜院 士率先在

11、北京建立了基于球差矯正的高性能透射電鏡的北京國家電鏡中心， 顯示中國在這方 面努力的信心。主要參考文獻(xiàn)：1、“近代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)” ， 呂斯華、朱印康編，高等教育出版社，第59 頁， 1991。2、“ Electron Microscopy of Thin Crystals ”, P. Hirsch, A. Howie, R. B. Nicholson, D. W. Pashley,M. J. Whelan, Robert E. Krieger Huntington press, 1977 （有中翻譯本） 。 .3、“ Diffraction Physics ” , J. Cowley, North Holland press, 1984.4、“ Experimental High-resolution Electron Microscopy ” , J. C. H. Spenc