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電子顯微鏡

凝聚態(tài)研究者的眼睛電子顯微鏡（electronmicroscope），簡(jiǎn)稱電鏡，是使用電子來(lái)展示物件的內(nèi)部或表面的顯微鏡。高速的電子的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)短，而顯微鏡的分辨率受其使用的波長(zhǎng)的限制，因此電子顯微鏡的分辨率（約0.1納米）遠(yuǎn)高于光學(xué)顯微鏡的分辨率（約200納米）。掃描電子顯微鏡

（scanningelectronmicroscope，SEM）

觀察標(biāo)本的表面結(jié)構(gòu)。其工作原理是用一束極細(xì)的電子束掃描樣品，在樣品表面激發(fā)出次級(jí)電子，次級(jí)電子的多少與電子束入射角有關(guān)，也就是說(shuō)與樣品的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，次級(jí)電子由探測(cè)體收集，并在那里被閃爍器轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，再經(jīng)光電倍增管和放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)來(lái)控制熒光屏上電子束的強(qiáng)度，顯示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象，反映了標(biāo)本的表面結(jié)構(gòu)。對(duì)于本身不導(dǎo)電的樣品為了使標(biāo)本表面發(fā)射出次級(jí)電子，標(biāo)本在固定、脫水后，要噴涂上一層重金屬微粒，重金屬在電子束的轟擊下發(fā)出次級(jí)電子信號(hào)目前掃描電鏡的分辨力為6~10nm，人眼能夠區(qū)別熒光屏上兩個(gè)相距0.2mm的光點(diǎn)，則掃描電鏡的最大有效放大倍率為0.2mm/10nm=20000X。猜猜看這是你身體上的哪個(gè)部位？

掃描隧道顯微鏡

（ScanningTunnelingMicro－scope，STM）1982年，IBM瑞士蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的葛·賓尼（G.Binning）和?！ち_雷爾（H．Rohrer）研制出世界上第一臺(tái)STM使人類(lèi)第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一.為表彰STM的發(fā)明者們對(duì)科學(xué)研究所作出的杰出貢獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金．STM獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

1.具有原子級(jí)的高分辨率，STM在平行于樣品表面方向上的分辨率分別可達(dá)0.01nm，即可以分辨出單個(gè)原子。

2．可實(shí)時(shí)得到實(shí)空間中的樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)的研究，這種可實(shí)時(shí)觀察的性能可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究。

3．可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是對(duì)體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等。5．配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度。表面電子阱、電荷密度波、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。

4．可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液中不需要特別的制樣技術(shù)并且探測(cè)過(guò)程對(duì)樣品無(wú)損傷．這些特點(diǎn)特別適用于研究生物樣品和在不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)樣品表面的評(píng)價(jià)。

6．利用STM針尖，可實(shí)現(xiàn)對(duì)原子和分子的移動(dòng)和操縱，這為納米科技的全面發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

STM觀察到的原子的景象1990年，IBM公司的科學(xué)家展示了一項(xiàng)令世人瞠目結(jié)舌的成果，他們?cè)诮饘冁嚤砻嬗?5個(gè)惰性氣體氙原子組成“IBM”三個(gè)英文字母。

這是中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過(guò)搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國(guó)地圖。

由德國(guó)實(shí)驗(yàn)室托斯頓·鄧卓巴拍攝的這一圖像顯示了一片GeSi量子點(diǎn)“森林”，其實(shí)，它們只有15納米高，直徑也只有70納米。量子圍欄STM的局限性與發(fā)展

它對(duì)樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準(zhǔn)確探測(cè)，與此相關(guān)的分辨率較差。掃描隧道顯微鏡(STM)所觀察的樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性，對(duì)于半導(dǎo)體，觀測(cè)的效果就差于導(dǎo)體；對(duì)于絕緣體則根本無(wú)法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導(dǎo)電層，則由于導(dǎo)電層的粒度和均勻性等問(wèn)題又限制了圖象對(duì)真實(shí)表面的分辨率。

透射電子顯微鏡

（TransmissionElectronMicroscopyTEM）

把經(jīng)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(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射電子顯微鏡的分辨率為0.1～0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬(wàn)～百萬(wàn)倍，用于觀察超微結(jié)構(gòu)，即小于0.2μm、光學(xué)顯微鏡下無(wú)法看清的結(jié)構(gòu)，又稱“亞顯微結(jié)構(gòu)”。利用TEM可以直接獲得一個(gè)樣本的投影。在這種顯微鏡中電子穿過(guò)樣本，因此樣本必須非常薄。組成樣本的原子的原子量、加速電子的電壓和所希望獲得的分辨率決定樣本的厚度。樣本的厚度可以從數(shù)納米到數(shù)微米不等。原子量越高、電壓越低，樣本就必須越薄。葡萄球菌表面激光掃描共聚焦顯微鏡

(laserscanningconfocalmicroscopeLSCM)

激光掃描共聚焦顯微鏡是采用激光作為光源，在傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡基礎(chǔ)上采用共軛聚焦原理和裝置，并利用計(jì)算機(jī)對(duì)所觀察的對(duì)象進(jìn)行數(shù)字圖象處理的一套觀察、分析和輸出系統(tǒng)。主要系統(tǒng)包括激光光源、自動(dòng)顯微鏡、掃描模塊（包括共聚焦光路通道和針孔、掃描鏡、檢測(cè)器）、數(shù)字信號(hào)處理器、計(jì)算機(jī)以及圖象輸出設(shè)備（顯示器、彩色打印機(jī)）等。。與傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡相比，它具有更高的分辨率，實(shí)現(xiàn)多重?zé)晒獾耐瑫r(shí)觀察并可形成清晰的三維圖象無(wú)需破壞樣品。另外，獲得的圖像信息通過(guò)相關(guān)軟件的幫助，可對(duì)標(biāo)本各深度層面的信息進(jìn)行三維重建，可以得到表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)都非常清晰的三維圖像。因此，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、高分子材料、生物化學(xué)、膠體化學(xué)（如研究膠體分散相中乳膠顆粒的分布、排列、熱運(yùn)動(dòng)及器壁效應(yīng)等）等眾多研究領(lǐng)域，激光共聚焦技術(shù)都有著廣泛的應(yīng)用。作為光學(xué)觀察方法，因此其分辨率較電鏡為低，約0.2μm。即有效放大倍數(shù)約為1000倍這張彩色圖片顯示的是人類(lèi)肺部?jī)?nèi)表面。圖中的洞穴是肺氣泡，這里是血液交換氣體的地方。肺癌細(xì)胞：這張異常的肺癌細(xì)胞圖與左邊的健康肺部圖片形成鮮明對(duì)比。帶有冠細(xì)胞的人類(lèi)卵子

這張彩色圖片上的紫色人類(lèi)卵子坐落在一個(gè)柱狀物上。兩個(gè)紅色冠細(xì)胞粘貼在透明帶狀物上。電

卵子表面的精子：生命循環(huán)從此開(kāi)始：這張圖片上顯示的是大量精子正在爭(zhēng)先恐后地給卵子受精。人類(lèi)胚胎和精子

這張色彩艷麗的美麗圖片，是利用共聚焦顯微鏡拍攝的。胚胎和精細(xì)胞核呈紫色，而精子的尾巴是綠色。藍(lán)色區(qū)域是縫隙連接(gapjunction)，它們把細(xì)胞彼此聯(lián)系在一起。培育6天后的人類(lèi)胚胎被植入子宮：生命循環(huán)從此開(kāi)始：6天的人類(lèi)胚胎開(kāi)始被植入子宮內(nèi)膜——子宮的內(nèi)表面。結(jié)構(gòu)與物性石墨和金剛石都是碳單質(zhì)不同的是原子排布方式不同，即結(jié)構(gòu)不同金剛石是目前最硬的物質(zhì)，而石墨卻是最軟的物質(zhì)之一石墨在5-6萬(wàn)大氣壓（（5-6）×103MPa）及攝氏1000至2000度高溫下，再用金屬鐵、鈷、鎳等做催化劑，可使石墨轉(zhuǎn)變成金剛石。目前世界上已有十幾個(gè)國(guó)家（包括我國(guó)）均合成出了金剛石。但這種金剛石因?yàn)轭w粒很細(xì)，主要用途是做磨料，用于切削和地質(zhì)、石油的鉆井用的鉆頭發(fā)光與顯示發(fā)光種類(lèi)極光熒光磷光熒光棒陰極射線管顯示器液晶顯示器等離子體顯示器發(fā)光核聚變輻射（太陽(yáng)）電阻絲電熱發(fā)光（白熾燈）氣體放電（熒光燈管）熒光體激發(fā)（顯示器）電子空穴復(fù)合發(fā)光（發(fā)光二極管）燃燒、化學(xué)反應(yīng)發(fā)光（熒光棒）受激發(fā)光（激光）陰極射線管顯示器

陰極射線管（CRT）是德國(guó)物理學(xué)家布勞恩（KariFerdinandBraun）發(fā)明的，1897年被用于一臺(tái)示波器中首次與世人見(jiàn)面。但CRT得到廣泛應(yīng)用則是在電視機(jī)出現(xiàn)以后。

陰極射線管（Cathoderaytube）因?yàn)樽顝V為人知的用途是用于構(gòu)造顯示系統(tǒng)，所以俗稱顯像管，它是利用陰極電子槍發(fā)射電子，在陽(yáng)極高壓的作用下，射向螢光屏，使螢光粉發(fā)光，同時(shí)電子束在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，作上下左右的移動(dòng)來(lái)達(dá)到掃描的目的。早期的CRT技術(shù)僅能顯示光線的強(qiáng)弱，展現(xiàn)黑白畫(huà)面。而彩色CRT具有紅、綠色和藍(lán)色三支電子槍，三支電子槍同時(shí)發(fā)射電子打在屏幕玻璃上磷化物上來(lái)顯示顏色。失真笨重、耗電，所以在部分領(lǐng)域正在被輕巧、省電的液晶顯示器取代彩色陰極射線管的剖面圖:1.

電子槍2.

電子束3.

聚焦線圈4.

偏向線圈5.

陽(yáng)極接點(diǎn)6.

電子束遮罩區(qū)隔顏色區(qū)域7.

螢光幕分別有紅綠藍(lán)螢光劑分區(qū)涂布8.

彩色螢光幕內(nèi)側(cè)的放大圖液晶顯示器液晶（LiquidCrystal，簡(jiǎn)稱LC）是一種高分子材料，因?yàn)槠涮厥獾奈锢?、化學(xué)、光學(xué)特性，20世紀(jì)中葉開(kāi)始被廣泛應(yīng)用在輕薄型的顯示技術(shù)上在正常情況下，其分子排列很有秩序，顯得清澈透明，一旦加上直流電場(chǎng)后，分子的排列被打亂，一部分液晶變得不透明，顏色加深，因而能顯示數(shù)字和圖象。液晶顯示器，LCD(LiquidCrystalDisplay)，為平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)量的彩色或黑白畫(huà)素組成，放置于光源或者反射面前方彩色LCD中，每個(gè)畫(huà)素分成三個(gè)單元，或稱子畫(huà)素，附加的濾光片分別標(biāo)記紅色，綠色和藍(lán)色。三個(gè)子畫(huà)素可獨(dú)立進(jìn)行控制，對(duì)應(yīng)的畫(huà)素便產(chǎn)生了成千上萬(wàn)甚至上百萬(wàn)種顏色與老式的CRT采用同樣的方法顯示顏色。液晶屏幕的優(yōu)點(diǎn)

1.液晶顯示器與傳統(tǒng)CRT相比最大的優(yōu)點(diǎn)還是在于耗電量和體積，對(duì)于傳統(tǒng)17寸CRT來(lái)講，其功耗幾乎都在80W以上，而17寸液晶的功耗大多數(shù)都再40W上下，這樣算下來(lái)，液晶在節(jié)能方面可謂優(yōu)勢(shì)明顯。

2.與傳統(tǒng)CRT相比液晶在環(huán)保方面也表現(xiàn)的表現(xiàn)，這是因?yàn)橐壕э@示器內(nèi)部不存在象CRT那樣的高壓元器件，所以其不至于出現(xiàn)由于高壓導(dǎo)致的x射線超標(biāo)的情況，所以其輻射指標(biāo)普遍比CRT要低一些。

3.由于CRT顯示器是靠偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)來(lái)控制電子束的，而由于電子束在屏幕上又不可能絕對(duì)定位，所以CRT顯示器往往會(huì)存在不同程度的幾何失真，線性失真情況。而液晶顯示器由于其原理問(wèn)題不會(huì)出現(xiàn)任何的幾何失真，線性失真，這也是一大優(yōu)點(diǎn)。等離子體顯示器

等離子體又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它廣泛存在於宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導(dǎo)電體

等離子體顯示器又稱電漿顯示器，是繼CRT(陰極射線管）、LCD（液晶顯示器）后的最新一代顯示器，其特點(diǎn)是厚度極薄，分辨率佳?？梢援?dāng)家中的壁掛電視使用，占用極少的空間，代表了未來(lái)顯示器的發(fā)展趨勢(shì)基本原理：顯示屏上排列有上千個(gè)密封的小低壓氣體室（一般都是氙氣和氖氣的混合物），電流激發(fā)氣體，使其發(fā)出肉眼看不見(jiàn)的紫外光，這種紫外光碰擊后面玻璃上的紅、綠、藍(lán)三色熒光體，它們?cè)侔l(fā)出我們?cè)陲@示器上所看到的可見(jiàn)光。超大尺寸的平面顯示器（50英寸甚至更大）分辨率更高圖像的色彩更亮麗，更鮮艷

等離子體顯示的特點(diǎn)其工作原理類(lèi)似普通日光燈和電視彩色圖像，由各個(gè)獨(dú)立的熒光粉像素發(fā)光組合而成，因此圖像鮮艷、明亮、干凈而清晰。另外，等離子體顯示設(shè)備最突出的特點(diǎn)是可做到超薄，可輕易做到40英寸以上的完全平面大屏幕，而厚度不到100毫米，實(shí)際上這也是它的一個(gè)弱點(diǎn)：即不能做得較小。目前成品最小只有42英寸，只能面向大屏幕需求的用戶，和家庭影院等方面等離子體顯示器具有體積小、重量輕、無(wú)X射線輻射的特點(diǎn)，由于各個(gè)發(fā)光單元的結(jié)構(gòu)完全相同，因此不會(huì)出現(xiàn)CRT顯像管常見(jiàn)的圖像幾何畸變。等離子體顯示器屏幕亮度非常均勻，沒(méi)有亮區(qū)和暗區(qū)，不像顯像管的亮度——屏幕中心比四周亮度要高一些，而且，等離子體顯示器不會(huì)受磁場(chǎng)的影響，具有更好的環(huán)境適應(yīng)能力。與LCD液晶顯示器相比，等離子體顯示器有亮度高、色彩還原性好、灰度豐富、對(duì)快速變化的畫(huà)面響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。由于屏幕亮度很高,因此可以在明亮的環(huán)境下使用。另外，等離子體顯示器視野開(kāi)闊，視角寬廣（高達(dá)160度），能提供格外亮麗、均勻平滑的畫(huà)面和前所未有的更大觀賞角度。當(dāng)然，由于等離子體顯示器的結(jié)構(gòu)特殊也帶來(lái)一些弱點(diǎn)。比如由于等離子體顯示是平面設(shè)計(jì)，其顯示屏上的玻璃極薄，所以它的表面不能承受太大或太小的大氣壓力，更不能承受意外的重壓。等離子體顯示器的每一個(gè)像素都是獨(dú)立地自行發(fā)光，相比顯示器使用的電子槍而言，耗電量自然大增。一般等離子體顯示器的耗電量高于300瓦，是不折不扣的耗電大戶。由于發(fā)熱量大，所以等離子體顯示器背板上裝有多組風(fēng)扇用于散熱。極光在地球南北兩極附近地區(qū)的高空，夜間常會(huì)出現(xiàn)燦爛美麗的光輝。它輕盈地飄蕩，同時(shí)忽暗忽明，發(fā)出紅的、藍(lán)的、綠的、紫的光芒。這種壯麗動(dòng)人的景象就叫做極光這美麗的極光景色是太陽(yáng)與大氣層合作表演出來(lái)的作品。太陽(yáng)風(fēng)是太陽(yáng)噴射出的帶電粒子，是一束可以覆蓋地球的強(qiáng)大的帶電亞原子顆粒流。太陽(yáng)風(fēng)在地球上空環(huán)繞地球流動(dòng)，以大約每秒400公里的速度撞擊地球磁場(chǎng)。大氣受到太陽(yáng)風(fēng)的轟擊后會(huì)發(fā)出光芒，形成極光。極光通常在高緯度的地區(qū)出現(xiàn)，它們與太陽(yáng)風(fēng)引致的地磁活動(dòng)有關(guān)。當(dāng)來(lái)自太陽(yáng)的帶電荷粒子（主要是電子）與地球大氣層的空氣粒子碰撞，生成不同顏色的光，這便是極光。極光的形狀取決于帶電荷粒子的移動(dòng)方向及磁場(chǎng)的變化，而極光的顏色則視乎大氣層的空氣粒子狀況