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      透射電子顯微鏡基本知識介紹

      2017-12-04 21:20 檢測知識

        一引言

        透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,TEM)是利用高能電子束充當照明光源而進行放大成像的大型顯微分析設備。1933年,德國科學家盧斯卡(Ruska)和克諾爾(Knoll)研制出了世界上第一臺透射電鏡(見圖1),并在1939年由西門子公司以這臺電鏡為樣機,量產了第一批商品透射電鏡,約40臺,分辨能力比光學顯微鏡提高了20倍。從此,人類對微觀世界的科學研究有了更強有力的武器。到今天,透射電鏡已經誕生了70多年,由電鏡應用而形成的交叉性學科——電子顯微學已經日趨完善,電鏡的分辨能力也比最初時提高了超過100倍,達到了亞埃級,并且在自然科學研究中起到日益重要的作用。

       

        圖1. 盧斯卡和克諾爾制造的第一臺透射電鏡及設計圖紙

        二、電子光學基礎

        無論光學顯微鏡還是電子顯微鏡,其最重要的性能指標就是分辨能力,具體就是一個光學系統能分開兩個物點的能力,它在數值上是剛能清楚的分開兩個物點之間的最小距離。例如人眼睛的分辨能力約為0.2毫米,就是說人眼可以剛剛區分開兩個相距0.2毫米的小點,而兩個小點的距離小于0.2毫米時將被看成是一個點而無法分辨。 

        根據經典的阿貝(Abbe,18世紀德國科學家)公式:,其中r為分辨能力;λ為照明光源波長;n為透鏡上下介質的折射率;α為透鏡的孔徑半角。由上公式可知,當介質折射率和孔徑半角一定時,照明光源的波長越短顯微鏡的分辨能力越高。光學顯微鏡在使用盡量大的孔徑角和盡量高折射率的物質浸沒物鏡時,由于可見光波長(約390到700納米)的限制,其極限分辨能力只有200納米,此時有效放大倍數約為1000倍??茖W家曾考慮過用波長更短的紫外線和X射線作為顯微鏡光源,但是,使用紫外線為光源時分辨能力只比可見光高一倍,而對于X射線又至今尚未發現使其折射偏轉和聚焦成像的方法,所以都無法被有效利用。根據德布羅意(De Broglie,20世紀法國科學家)提出的運動的微觀粒子具有波粒二象性的觀點,電子束流也具有波動性,而且電子波的波長比可見光要短得多(例如200千伏加速電壓下電子波波長為0.00251納米),顯然,如果用電子束作光源制成的顯微鏡將具有比光學顯微鏡高得多的分辨能力。更重要的是,由于電子在電場中會受到電場力運動,以及運動的電子在磁場中會受到洛倫茲力的作用而發生偏轉,這使得使用科學手段使電子束聚焦和成像成為可能。靜電透鏡和磁透鏡的發明使得電子顯微鏡擁有了最核心的部件,最終蓬勃發展起來。

       

        

       

        圖2. 鐵包殼磁透鏡結構示意圖

        三、透射電鏡的基本構造

        

       

        圖3. 透射電鏡基本構造示意圖

        透射電鏡各重要部件及其作用:

        電子槍:發射高能電子束,提供光源;

        聚光鏡:將發散的電子束會聚得到平行光源;

        樣品桿:裝載需觀察的樣品;

        物鏡:電鏡最關鍵的部分,起到聚焦成像一次放大的作用;

        中間鏡:二次放大,并控制成像模式(圖像模式或者電子衍射模式);

        投影鏡:三次放大;

        熒光屏:將電子信號轉化為可見光,供操作者觀察;

        底片盒:傳統的底片照相;

        CCD相機:先進的電子相機,拍照效率比傳統底片高很多。

        四、透射電鏡放大成像原理

        

       

        圖4. 電鏡和光鏡光路圖及電鏡物鏡成像原理

        透射電鏡和光學顯微鏡的各透鏡位置及光路圖基本一致,都是光源經過聚光鏡會聚之后照到樣品,光束透過樣品后進入物鏡,由物鏡會聚成像,之后物鏡所成的一次放大象在光鏡中再由物鏡二次放大后進入觀察者的眼睛,而在電鏡中則是由中間鏡和投影鏡再進行兩次接力放大后最終在熒光屏上形成投影供觀察者觀察。電鏡物鏡成像光路圖也和光學凸透鏡放大光路圖一致。入射電子束照射并透過樣品后,樣品上的每一個點由于對電子的散射變成一個個新的點光源,并向不同方向散射電子。透過樣品的電子束由物鏡會聚,方向相同的光束在物鏡后焦平面上會聚與一點,這些點就是電子衍射花樣,而在物鏡像平面上樣品中同一物點發出的光被重新匯聚到一起,呈一次放大相。

        五、透射電鏡應用舉例

        透射電子顯微鏡如今已經廣泛應用于自然科學各領域,尤其在物理、化學、生物、醫學和材料科學等方面發揮著不可代替的作用。

        

       

        (a)某植物細胞    (b)某一維納米材料    (c)某陶瓷材料

        圖5. 不同應用領域的電鏡照片

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