行業與應用

Industry and Application

 

電子顯微鏡

電子顯微鏡,簡稱電鏡,英文名Electron Microscope(簡稱EM),經過五十多年的發展已成為現代科學技術中不可缺少的重要工具。電子顯微鏡由鏡筒、真空裝置和電源柜三部分組成。

電子顯微鏡技術的應用是建立在光學顯微鏡的基礎之上的,光學顯微鏡的分辨率為0.2μm,透射電子顯微鏡的分辨率為0.2nm,也就是說透射電子顯微鏡在光學顯微鏡的基礎上放大了1000倍。

 

 

種類

電子顯微鏡按結構和用途可分為透射式電子顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、反射式電子顯微鏡和發射式電子顯微鏡等。

透射電子顯微鏡常用于觀察那些用普通顯微鏡所不能分辨的細微物質結構;掃描電子顯微鏡主要用于觀察固體表面的形貌,也能與X射線衍射儀或電子能譜儀相結合,構成電子微探針,用于物質成分分析;發射式電子顯微鏡用于自發射電子表面的研究。

 

透射電子顯微鏡

因電子束穿透樣品后,再用電子透鏡成像放大而得名。它的光路與光學顯微鏡相仿,可以直接獲得一個樣本的投影。通過改變物鏡的透鏡系統人們可以直接放大物鏡的焦點的像。由此人們可以獲得電子衍射像。使用這個像可以分析樣本的晶體結構。在這種電子顯微鏡中,圖像細節的對比度是由樣品的原子對電子束的散射形成的。由于電子需要穿過樣本,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納米到數微米不等。原子量越高、電壓越低,樣本就必須越薄。樣品較薄或密度較低的部分,電子束散射較少,這樣就有較多的電子通過物鏡光欄,參與成像,在圖像中顯得較亮。反之,樣品中較厚或較密的部分,在圖像中則顯得較暗。如果樣品太厚或過密,則像的對比度就會惡化,甚至會因吸收電子束的能量而被損傷或破壞。

透射電鏡的分辨率為0.1~0.2nm,放大倍數為幾萬~幾十萬倍。由于電子易散射或被物體吸收,故穿透力低,必須制備更薄的超薄切片(通常為50~100nm)。

透射式電子顯微鏡鏡筒的頂部是電子槍,電子由鎢絲熱陰極發射出、通過第一,第二兩個聚光鏡使電子束聚焦。電子束通過樣品后由物鏡成像于中間鏡上,再通過中間鏡和投影鏡逐級放大,成像于熒光屏或照相干版上。中間鏡主要通過對勵磁電流的調節,放大倍數可從幾十倍連續地變化到幾十萬倍;改變中間鏡的焦距,即可在同一樣品的微小部位上得到電子顯微像和電子衍射圖像。

 

掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡的電子束不穿過樣品,僅以電子束盡量聚焦在樣本的一小塊地方,然后一行一行地掃描樣本。入射的電子導致樣本表面被激發出次級電子。顯微鏡觀察的是這些每個點散射出來的電子,放在樣品旁的閃爍晶體接收這些次級電子,通過放大后調制顯像管的電子束強度,從而改變顯像管熒光屏上的亮度。圖像為立體形象,反映了標本的表面結構。顯像管的偏轉線圈與樣品表面上的電子束保持同步掃描,這樣顯像管的熒光屏就顯示出樣品表面的形貌圖像,這與工業電視機的工作原理相類似。由于這樣的顯微鏡中電子不必透射樣本,因此其電子加速的電壓不必非常高。

掃描式電子顯微鏡的分辨率主要決定于樣品表面上電子束的直徑。放大倍數是顯像管上掃描幅度與樣品上掃描幅度之比,可從幾十倍連續地變化到幾十萬倍。掃描式電子顯微鏡不需要很薄的樣品;圖像有很強的立體感;能利用電子束與物質相互作用而產生的次級電子、吸收電子和X射線等信息分析物質成分。

掃描電子顯微鏡的制造是依據電子與物質的相互作用。當一束高能的入射電子轟擊物質表面時,被激發的區域將產生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續譜X射線、背散射電子、透射電子,以及在可見、紫外、紅外光區域產生的電磁輻射。同時,也可產生電子-空穴對、晶格振動(聲子)、電子振蕩(等離子體)。

 

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