电子显微技术发展

电子显微技术的发展

电子显微镜，简称电镜，经过几十年的发展已成为现代科学技术中不可缺少的重要工具，尤其在表面形貌分析方面有重要应用。常见的电子显微技术有透射式电子显微镜( TEM)，扫描电子显微镜( SEM)，扫描隧道显微镜( STM)，环境扫描电子显微镜（ESEM），原子力显微镜（AMF），以及光扫描隧道显微镜（PSTM），近场扫描光学显微术（NSOM），弹道式电子发射显微术（BEEM），扫描片化学显微术（SECM）等。

1.透射式电子显微镜( TEM)

1897 年布劳恩发明了阴极射线管,尽管结构简单,但已是现代电子束管的雏形。同年汤姆孙测定了电子的荷质比,指出以前发现的阴极射线也是一种物质粒子流(现称电子流) 。1926 年布许发表了有关磁聚焦的论文,因此可以利用电子来成像(与光学透镜成像极为相似) 。这样,就为发明电子显微镜作好了技术上和理论上的准备。

恩·鲁斯卡,1906 年12 月25 日出生于德国的海德堡,1929 年从事电子透镜的实验研究。1931 年4～6月鲁斯卡和克诺尔采用二级磁透镜放大,获得了光阑孔的16 倍放大像,制成了世人公认的第一台电子显微镜的最初雏型。当时得到的分辨率为40nm ,获得了比光学显微镜清楚得多的大肠杆菌的电子像,这一成就在显微学史上是一项重大的突破。1931 —1932 年鲁斯卡在德国《物理学进展》杂志上发表了以“几何电子光学的进展”为题的论文,第一次使用了电子显微镜的名称。1932 年成为了发明电子显微镜的年份。

据理论计算,电子在100kV 的加速电压下运动时,其波长仅为0. 0037nm ,竟比可见光波长小5 个量级。即使考虑到各种技术上的困难,电子显微镜的分辨本领也会比光学显微镜高得多。

1933 年鲁斯卡用短磁透镜,在75kV 下获得了12000 倍的放大率。1937 年鲁斯卡等开始研制商品电子显微镜。1938 年得到了放大30000 倍的照片,点分辨本领为13nm ,比光学显微镜高了20 倍。西门子公司1939 年推出了世界上第一台商品电子显微镜,1949 年又推出了分辨本领达10nm 的UM -100 型电子显微镜,1954 年又推出了当时最先进的新一代高分辨Elmiskop Ⅰ型电子显微镜。其主要指标为:分辨本领1. 0 —1. 5nm ,加速电压100kV ,放大倍数16 万倍。

到了80 年代,电子显微镜不论实际达到的分辨率还是应用性能都有很大进

展。现代加速电压为1250kV 的超高压、超高分辨电子显微镜,分辨本领已达0. 1nm ,放大倍数在150 万倍以上。电子显微镜的问世成为显微镜发展史上的第二个里程碑。

2.扫描电子显微镜( SEM)

当聚焦得很细的电子束在试样表面扫描时,用探测器收集相关信息,逐点逐行地在显像管上显示出来,用这种原理制成的电子显微镜称为扫描电子显微镜。

马·克诺尔等在1935 年制成了让电子束在材料表面扫描的仪器,把这个装置作为电子显微镜则是偶然的。受电子束直径所限,当时的分辨率只有100 微米左右。

第一台真正的扫描电镜是冯·阿登纳在1937 年制成的。电子束直径聚焦、缩小到0. 01 微米、探针电流只有10 12A 的量级。这台仪器原理虽然正确,但由于调试困难、记录时间长、分辨本领低,而以失败告终。

现代扫描电镜的设计制造应归功于英国剑桥大学工程系的奥特莱及其研究小组。1958 年剑桥大学向该研究所提供了一台新的扫描电镜。1965 年英国剑桥仪器公司生产出了商品Sterecoscan。从此开创了扫描电镜的新纪元。

SEM的分辨本领虽没有TEM那么高,但试样制备简单、焦深长、视场大,可直接观察很大很厚的实物试样,而且还能让它作上下、前后、左右、倾斜和旋转运动,从各个角度来仔细观察。SEM 的放大倍数还能方便地从几倍连续地增大到几十万倍,既可对感兴趣的细节仔细研究,又可看到全貌,知道这些细节在整个物体中的部位。现代常规SEM 的分辨本领已达3. 5nm。这是一种非破坏性的分析测试装置。

采用场发射电子枪的超高分辨SEM 的分辨本领已高达0. 6nm ,接近TEM的水平。现在SEM不但在科学研究而且在工农业生产中得到了广泛的应用,特别是电子计算机产业的兴起使其得到了飞速发展。SEM成为半导体集成电路芯片的常规检测工具。

3. 环境扫描电子显微镜（ESEM）

扫描电子显微镜（SEM）的出现，使人类观察微小物质的能力有了质的飞跃。由于扫描电子显微镜的高分辨率、良好的景深和简易的操作方法，它迅速成为一种不可缺少的工具而广泛应用于科学研究和工程实践中。但是，由于(SEM) 的工作原理及结构上的一些限制，使(SEM)) 在使用性和适用范围方面受到很大影响。首先，由于肮脏潮湿的样品会使仪器真空度下降，降低成像性能，甚至会损坏探头或电子枪；同时，各种含水样品不能在自然状态下被观察。挥发性样品也

不能观察，所以，被观察样品必须洁净、干燥。其次，当高能电子束打到样品表面时，会在样品内沉积相当可观的电荷。如样品导电，电荷经样品流入大地；如样品不导电，这些电荷累积起来，形成了附加的干扰电场，从而使成像信号发生变化，使图象失真。因此，观察绝缘样品时，必须对样品预处理，如在样品表面涂以导电薄层，从而使样品准备工作繁琐、复杂，并带来其它一些新问题：涂层是否会显著地改变样品外貌？涂层后的样品图象是涂层图象而非样品的图象，这两者是否完全相同？再次，仪器对光、热信号敏感，不能观察发光、发热的样品。仪器工作时，照明灯、观察窗都不能打开，给观察过程带来不便。

针对(SEM)的缺陷，人们提出了各种解决办法，其中以近年开发的环境扫描电子显微镜（ESEM）技术最引人注目。（ESEM）最大的优点就在于它允许改变显微镜样品室的压力、温度及气体成分。它不仅保留了(SEM)的全部优点，而且消除了对样品室环境必须是高真空的限制。潮湿、细腻、肮脏、无导电性的样品在自然状态下都可检测，无需任何处理。在气体压力高达5000Pa，温度高达1500C，含有任何气体种类的多气体环境中ESEM都可提供高分辨率的二次电子成像，从而使SEM 的使用性能及适用范围大幅度改善。

由于ESEM 的结构特点，ESEM使SEM的适用范围和操作性能带来了革命性突破。在抗污染、对光热不敏感、不破坏样品组织结构、使样品准备工作大为简化以及能直接观察并记录样品的动态过程等方面显示了其显著的优势。ESEM 具有传统的SEM的一切主要性能，还在观察绝缘样品和含液体的样品这两个主要方面大大拓展了SEM的功能，因而，可以直接观察研究一些在自然状态下活的生物组织，甚至是活着的生命；也可观察研究一些绝缘或含液体样品的动态变化过程，得到一些人们从未见过的显微世界的真实图像。ESEM同样可以X射线能谱仪相配接，进行元素分析，采集元素的面分布图或线扫描曲线。即使对于超轻元素，分析精度也不受影响。

4. 扫描隧道显微镜( STM)

扫描隧道显微镜是从1982 年以后才逐渐发展起来的。相对而言，仪器结构较为简单，其主要功能是在原子级水平上分析表面形貌和表面能级分布、表面态密度分布、表面电荷密度分布和能量分布。它的横向分辨本领高达0. 1 —0. 2nm ,而深度分辨本领为0. 01nm ,是各类显微镜中最高的。而其放大倍数可达数千万倍,比一般电子显微镜还高数百倍。它还克服了电子显微镜中高能电子束对试样的损伤、深度分辨本领低以及试样必须处于真空中的限制,既可以在超高真空、真空,也可以在大气下甚至液体中无损伤地直接观察物质表面结构。

扫描隧道显微镜利用的原理是量子世界的隧道效应。由于隧道效应,在两块

金属片之间形成隧道电流,而且这个电流有个奇特的性质,在一定的电压下,隧道电流随间距的增加而急剧地减小。当间距改变一个原子的尺度时,电流就改变数十或数百倍。利用这种关系,可用来制造新型的显微镜。

1981 年,瑞士苏黎世国际商用公司实验室的科学家罗雷尔和来自德国的研究生宾尼格研制成功了第一台扫描隧道显微镜(STM) ,终于使人们实现了看到原子真面目的愿望。这台显微镜的针尖只有几个原子大小,针尖离样品的间距也只有1 纳米,它的水平分辨率在0. 2nm 以下,垂直分辨率可以达到远小于0. 1nm。

扫描隧道显微镜经历了4 代的发展演变。1981年的第一代非常复杂:真空室放在气垫防震台上,而隧道主体单元则靠强磁体与碗状铅超导体磁场之间的排斥作用悬浮起来,以减轻实验室环境中低频震动的影响。第二代则用磁体产生的涡流来代替超导体悬浮,结构就简单多了。现已为大家所仿效。第三代又变得复杂起来,体积也相当大,整个用石英制造以防止针尖的热漂移,也很快被淘汰了。现在广泛应用的第四代,所谓“口袋式”扫描隧道显微镜。设计得精致小巧,但非常稳固。本身的谐振频率极高,不需特殊防震措施。放在一般工作台上针尖与试样间的相对位置仍可保持不变而获得原子分辨本领。

5. 原子力显微镜（AMF）

原子力显微镜的主要功能类同扫描隧道显微镜（STM），但一般而言，STM 适于研究导体样品，而难于研究绝缘样品。由此发展起来的AFM克服了STM 的局限性，对导体和非导体样品都适用。

与STM类似，原子力显微镜也利用一个紧贴表面的小探针进行表面测量。但这种扫描探针，不依赖于隧道电流。利用一个安装在柔性悬臂上的尖针，悬臂起了弹簧作用，在样品表面来回移动。压电元件使针尖移向样品，直至针尖与样品间的原子间作用力使悬臂偏转。采用光学方法如激光束的偏转，来检察悬臂的偏转。

AMF可以工作在常压下，悬臂和样品可以浸没在液体中，因而，可以在生理状态下成像。空气中物体表面通常覆盖有水和未知污染层的吸附层，针尖接近这种污染层时，有一种粘附力将针尖驱向样品。在液体中工作可以消除这种现象，从而较好地操作控制，因此，AMF可以实时跟踪生物过程。连续的图像可用于将过程形象化，快如跃迁，慢如细胞分裂。AMF还有使化学过程成像的潜力，使科学家直接洞察如血块相关纤维素的聚合和玻璃试管中膜研究的动态过程。

AMF还可用于DNA研究和染色体分析。分子技术一直未能弥补由传统显微术局限性造成的基因组染色体组织信息的缺乏。光学显微镜没有足够高的分辨率，电子显微镜虽有高分辨率，但制样时，样品的损伤干扰了正常测定。AMF

则提供了非破坏性成像和分析染色体结构的新方法。

与STM 类似，随着AMF技术的日益成熟，AMF正全面应用到各个领域。在研究生物分子，研究晶体表面原子结构、研究阳离子多聚物吸附、观察等离子聚合膜、人工制造纳米级结构、绘制相互作用力图、对流体表面成像、范德华力校正等方面，AMF提供了灵敏、可靠的测量分析技术。

目前，各种电子显微技术以得到广泛应用，它们的应用已渗透到科学研究的各个领域。同时，它们之间或与其它分析手段的组合使用，为人类进一步探索微观世界的奥秘提供了可靠的保证。