透射电子显微镜|探索物质结构之透射电子显微镜

透射电子显微镜（探索物质结构之透射电子显微镜）
眼睛是人类认百思特网识客观世界的第一架“光学仪器”，但它的能力却是有限的，通常认为人眼睛的分辨率为0.1 mm 。17世纪初，光学显微镜（图1）出现，可以把细小的物体放大到千倍以上，分辨率比人眼睛提高了500 倍以上，这也是人类认识物质世界的一次巨大突破。随着科学技术的不断发展，直接观察到原子是人们一直以来的愿望，电子显微学的出现为人们实现这一夙愿提供了可能。随着电子显微学的不断发展和进步，透射电子显微镜（图2）的分辨率已经达到了亚埃量级，电子显微镜已经成为材料学领域不可或缺的表征手段。另外，电子显微学与纳米科学、生物学等的结合，使得电子显微镜的功能日渐扩大，同时它也促进了这些领域的飞速发展。

图1 罗伯特胡克发明的光学显微镜（图片来源：百度网）

【透射电子显微镜|探索物质结构之透射电子显微镜】

图2 HT7700-日立透射电子显微镜（图片来源：百度网）
透射电子显微镜的起源与发展
透射电子显微镜起源于20 世纪20~30 年代。1924 年，德布罗意提出了粒子具有波动性。1926—1927 年，Davisson、Germer 以及Thompson Reid 实验发现了电子衍射，从而证明了电子的波动性，因此想到可以用电子代替可见光来制作电子显微镜，以克服光波长对分辨率的限制。1926 年，德国学者Busch提出采用轴对称的磁场有可能使电子聚焦，为电子显微镜的制作提供了理论依据。1933年，Ruska 等人做出了世界上第一台透射电子显微镜。1934 年，电子显微镜的分辨率已经达到了500，Ruska 也因此获得了1986 年的诺贝尔物理学奖。1939 年，德国西门子公司造出了世界上第一台商品透射电子显微镜百思特网（TEM），分辨率优于100。之后，美国Arizona 洲立大学物理系的Cowley 教授等定量地解释了相位衬度像，即所谓高分辨像（高分辨TEM 图像见图3），从而建立和完善了高分辨电子显微学的理论和技术。高分辨电子显微术能够使大多数晶体中的原子列成像，目前高分辨电子显微术已经是电镜中普遍使用的方法，其分辨率已经达到了1~2。

图3 高分辨TEM 图像（图片来源：百度网）
除了波长限制了透射电镜的分辨率外，透射电镜的像差，包括色差、球差、像散和畸变，也使得透射电镜的分辨率难以突破1。20 世纪末，球差校正器研制成功，球差校正电子显微镜减百思特网小了非局域化效应的影响，进一步提高了透射电镜的分辨率，已经达到了亚埃量级。随着球差校正电子显微镜应用的普及，球差校正电子显微学在逐渐形成和发展。此外，近20 年来，随着电子显微术的不断发展，扫描透射电子显微镜术（STEM，其图像见图4）也成为了广泛应用的表征手段。相比于传统的高分辨相位衬度成像技术，扫描透射电镜具有分辨率高，对化学成分敏感，图像直观容易解释等优点。其中高分辨扫描透射电子显微镜可以直接获得原子分辨率的Z 衬度像，结合X 射线能谱和电子损失谱，还可以获得原子分辨率的元素分布图和单个原子列的能量损失谱，因此可以在一次实验中得到原子分辨率的结构、化学成分和电子结构等信息。

图4 富锂材料表面STEM 图像
透射电子显微镜的应用
透射电镜具有分辨率高、可与其他技术联用的优点，在材料学、物理、化学和生物学等领域有着广泛地应用。
材料的微观结构对材料的力学、光学、电学等物理化学性质起着决定性作用。透射电镜作为材料表征的重要手段，不仅可以用衍射模式来研究晶体的结构，还可以在成像模式下得到实空间的高分辨像，即对材料中的原子进行直接成像，直接观察材料的微观结构。电子显微技术对于新材料的发现也起到了巨大的推动作用，D.Shechtman 借助透射电镜发现了准晶，重新定义了晶体，丰富了材料学、晶体学、凝聚态物理学的内涵，D.Shechtman 也因此获得了2011年诺贝尔化学奖。
在物理学领域中，电子全息术能够同时提供电子波的振幅和相位信息，从而使这种先进的显微分析方法在磁场和电场分布等与相位密切相关的研究上得到广泛应用。目前，电子全息已经应用在测量半导体多层薄膜结构器件的电场分布、磁性材料内部的磁畴分布等方面。中国科学院物理研究所的张喆和朱涛等利用高分辨电子显微术和电子全息方法研究了Co 基磁性隧道结退火热处理前后的微观结构和相应势垒层结构的变化，研究结果表明，退火处理可以明显地改善势垒层和顶电极、底电极之间的界面质量，改进势垒本身的结构。