简单介绍电子显微镜基本技术原理和发展背景

2018-09-21

作者:驰奔电镜 Microexplore

      电子显微镜(Electron Microscope)是采用电子束为光源,照射固体材料,以电子束散射的电子为信号,主要用于对材料表面或内部结构形态形貌进行高分辨成像,包括透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)、扫描电子显微镜(SEM)。下图包括SEM和STEM高分辨图像。


电子显微图像效果,图片来自Bing及驰奔电镜


样品信息与电子束关系:

        电子束轰击固体样品,在其表面或内部发生散射时,各种散射信号被相应探测器采集后,可直接或间接体现固体样品在微观区域独特的物理化学信息,如透射电子(TE 结构形体,电子衍射,能量损失谱元素及价态特征),二次电子(SE 形貌形态信息),背散射电子(BSE 原子序数和相差异),特征X射线(EDX 体相元素组分),俄歇电子(AE 表面元素组分),阴极荧光(CL 电子态信息),等离子激发(EELS 元素及价态),电声(电子通道反差)等。微观物理化学结构特征决定材料宏观性能,对其开展精确分析意义重大。电子显微镜的发明,极大推动材料科技发展。

        

电子束样品作用区 图片FROM BING

 

电子显微成像:

      电子显微镜中,对电子束进行折射的物质为电场或磁场,中心对称的磁场,其成像性质和高斯透镜几何光学一级近似,被称为磁透镜。磁透镜可以是永磁和电磁。地球沿着南北极贯穿,可以看做一个巨大的磁透镜,磁透镜焦距固定;电磁透镜通过改变线圈电流可改变透镜磁场强度,从而改变透镜焦距。



 


                             高斯透镜成像                              中心对称 地球磁场                            中心对称电磁场                     中心对称电磁透镜

                                                                                                               图片from bing

  

电子显微成像方式:

       TEM成像采用平行入射电子束照射样品,后续的电磁透镜通过同时聚焦从样品哥哥像素点发出的不同散射方向透射电子(TE-transmission electron),从而对电子束照射区域进行放大成像,通过调节中间的电磁透镜焦距,可实现放大倍数调节,最后用投影镜将物像照射在图像记录或显示上;SEM/STEM使用汇聚电子束照射样品 ,逐点扫描成像,空间分辨率和汇聚电子束束斑直径相关,通过改变电子束扫描区域大小来改变放大倍数。

    

               电子束面曝光/ 点扫描                                               SEM/STEM工作模式   

图片FROM BING

    

谁想到使用电子束作为光源显微成像呢?(电子显微镜是如何诞生)

可见光的本质:

       可见光的本质是电磁波。到19世纪,光学进入波动光学范畴。麦克斯韦方程组将经典物理电动力学推向巅峰,并揭示可见光的电磁波属性。

    
  

                                                                                                                                   麦克斯韦


光学显微极限分辨率:
       麦克斯韦的接班人瑞利,根据德国物理学家恩斯特.阿贝对显微镜成像波动光学物理过程的解释,推导出著名的电磁波显微成像分辨率极限判据Rayleigh Criterion;显微镜分辨率衍射极限,差不多为入射波半波长。

     

      

   瑞利判据  /  邮票中的阿贝  /  油画中的瑞利


光学显微镜的可见光局限:

       根据瑞利判据,更高显微镜分辨率需要使用更短波长的电磁波进行成像...... 

       纵观整个电磁波谱,除了可见光,其他波段苦于没有理想折射材料,

       显微镜极限分辨率就此打住在可见光波段吗?

电磁波谱


量子光学:

       1900年,马克斯-普朗克通过研究热力学黑体辐射,假设热辐射波(红外电磁波)能量是不连续的,获得成功,提出量子概念,修正了经典物理理论;


年轻的马克斯.普朗克

       爱因斯坦使用量子概念,正确解释了海因里希-赫兹发现的光电效应,证明了电磁辐射的量子性,提出波粒二象性光量子假说,奠定量子光学基础。

       


         

                                                                                                    年轻的爱因斯坦

       量子论打开了面向微观新世界的一扇窗!


物质波:    

       年轻的德布罗意对普朗克和爱因斯坦的量子论发生兴趣,
       1924年获巴黎大学博士学位,在博士论文中首次提出了"物质波"概念。第二年给出波长公式,计算了电子波长。

      (1kev λ=0.38Α;10kev λ=0.12Α)

      
年轻的德布罗意/ 图片来源bing

 

 物质波方程:  
         1926年奥地利物理学家薛定谔提出物质波的一个基本方程,薛定谔方程, 可描述微观粒子的运动,创立波动力学。
         为量子力学发展打下坚实基础。

                                                                        年轻的薛定谔


物质波被实验证明:

        1927年,通过电子衍射实验,证实高速电子的波动性。

                                                                                            戴维逊和他的助手                     G.P。汤姆逊


物质波理论让电子显微成为可能:
      运动的电子具有波动性且波长很小,可在电磁场中折射,这些条件为电子显微理论、技术大发展奠定了坚实基础。
      光学进入量子光学新阶段。


电子光学诞生:

      1927年 Hans Busch理论上发现中心旋转对称的电磁场对电子束的控制行为,和玻璃透镜对光线的控制,具有相同的法则,至少是一级近似。

      柏林工业大学Max Knoll的学生Ernst Ruska,正在实践中执行测量相关实验任务,证实了Busch的预测。就此电子透镜诞生~

      同时理论学家们已经推导出电子透镜傍轴方程,其他电子光学组件行为所尊从的规律,完善了电子光学理论。


电子光学系统


电子显微镜诞生:

      1931~33年Max Knoll和他的学生Ernst Ruska研制世界首台透射式电子显微镜。尽管当时条件所限,分辨率不及光镜,但开创了电子显微技术发展的先河。

      1935年,转战电视技术的Knoll提出扫描电镜概念。

      1939年,透射电镜加上扫描功能,实现STEM。

      Ernst Ruska作为活着的电子显微镜发明人,1986年获得诺贝尔奖。

 

本文作者:驰奔电镜 Microexplore


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