什么叫电子显微镜?
在回答这个问题之前，我们需要回顾一下显微技术的历史，即荷兰科学家安东尼·范·列文虎克(AntonivanLeeuwenhoek，1632-1723)和英国罗伯特·胡克(RobertHooke，1635-1703)两位科学家的工作。两者都使用玻璃透镜来识别微生物，并开辟了光学显微镜和微生物学领域。然而，随着这一领域的进步，德国科学家ErnstAbbe意识到光学显微镜将接受基本的光学物理定律--“光透射”这将限制光学显微镜的分辨率。这被称作“阿贝衍射极限”。Abbe推断显微镜无法分辨距离低于λ/2NA其中有两个物体λ是光的波长，NA是显像镜头的数值孔径。定义分辨率极限的方程的核心是波长λ。它与所达到的分辨率成正比——波长越短，分辨率越好，这就是电子显微镜分辨率高的原因。
如果没有德国科学家HansBusch(1884-1973)电子显微镜的发展是不可能的。他是第一个确认磁场可以以类似玻璃透镜的方式聚焦电子束的人。德国科学家恩斯特·鲁斯卡(ErnstRuska，1906-1988)注意Busch他工作并将其应用于电子显微镜的开发，因此获得了1986年诺贝尔物理学奖。他也很清楚，如果电子波长可以降低，他的发现可能会产生什么影响。法国物理学家路易斯·德布罗意(1892-1987)用波粒二象理论解决了这个问题，说明电子束充当波，其波长可以根据电子的速度进行预测。这可以通过加速电子通过电势进行调整(事实上，这被称为电子显微镜的加速电压)。下表1给出了不同加速电压下的电子波长。
对显微镜分辨率的影响现在非常明显。上表所列电子的最低波长比能见光波长(380000pm)大约5个数量级。根据上面给出的阿贝衍射极限方程，这将对空间分辨率产生很大的影响。这是电子显微镜发展的理论动力。
因此，我们可以回答我们最初的问题。电子显微镜使用由电磁透镜聚焦的电子束，以显示所有类型的材料，其空间分辨率远远超过标准光学显微镜。有两种常见的电子显微镜类型：散射电子显微镜(由Ruska开发类型)和扫描电子显微镜。这两种类型也与扫描散射电子显微镜和配有散射探测器的扫描电子显微镜混合。然而，尽管技术已经成熟，但新技术的发展继续推动着分辨率的极限。
电子显微镜分辨率
电子显微镜的分辨率取决于几个因素，其核心是上述加速电压。但其他因素也很重要，如显微镜中的磁性透镜和电磁性透镜中的像差效应。下表2中列出了不同类型和复杂性的电子显微镜的分辨率限制。请注意，一些现代散射电子显微镜(TransmissionElectronMicroscope，简称TEM)设计可以实现其他原子分辨率。
各类电子显微镜的分辨率。
电子显微镜类型
典型的空间分辨率
桌面扫描电镜(可以放在桌子上-热发射源)
~3-15纳米
热发射电子源扫描电子透镜
3纳米
肖特基场发射扫描电镜
0.6纳米
120kV透射电镜
0.2纳米
200kV透射电镜
0.1纳米
电子显微镜的类型和工作原理
散射电子显微镜(TEM)
在TEM在中间，一束加速电子通过样品传输，以各种方式与样品相互作用，以获取不同类型的信息，然后通过样品下方的显示屏、薄膜或基于半导体的探测器进行检测。当光束穿过样品时，TEM有两个基本要求。首先，加速电压必须足够高，以便电子束能够通过样品而不被完全吸收。其次，为了满足这一要求，样品必须非常薄，一般厚度为100nm。后一个要求是样品平均原子数的函数。构成金属和合金的较重元素是较强的电子吸附剂，对样品的厚度要求更严格。另一方面，生物样品主要由C，H，O，N由这些低原子序数元素组成，且不易吸收电子，因此可容纳较厚的样品。生物样品一般采用超薄片法制备，其中样品嵌入塑料树脂中，然后用玻璃刀或金刚石刀切片。这样也可以制备无机材料，但更常见的是将它们切成3mm的圆盘，研磨抛光，最后用离子束或电解液将其变薄。电子传输穿孔周围的区域将足够薄。一个小缺点是，这些样品在远离穿孔点时会慢慢增厚，所以样品的薄厚效应会降低透射率。或者减少离子束。这样具有精确采样点选择和产生相对对称厚度的优点。然而，这种技术的仪器价格昂贵，需要大量的操作技能。
显示了描述TEM主要电子光学元件的示意图。(a)中，显示了TEM明场成像模式下的操作。从仪器上方的电子源开始，最常见的是W钨丝(热发射电子)或现场发射源(应用高电位从源尖端提取电子)。现场发射源可以是热辅助源(称为肖特基地发射源)，也可以不是热发射源(称为尴尬的聊天发射源)。然后使用一组聚光透镜来塑造光束到样品并通过样品。使用一组透镜(物镜、中间透镜和投影仪透镜)在光束通过样聚焦图像。
(a)明场显像模式和(b)在电子衍射模式下TEM示意图。
然而，图像没有多大用处，除非图像显示某种方式的比较。TEM有许多方法可以产生对比度。例如，在TEM许多类型的中的样品本质上都是晶体，并受到布拉格方程给出的电子衍射定律的约束：
nλ=2dsinθ
其中λ是电子的波长，d晶面在特定方向之间的间隔，θ布拉格衍射角，n是反射级别。在2000kV在加速电压下使用TEM，波长为(上表1)0.00251nm。最大的金属晶体间隔Cu例如中原子的晶体面，d间隔为0.207nm，我们可以解决sinθ。
Sinθ=0.00251nm/2x0.207nm=0.0061;θ=0.35°
这告诉我们，透射的布拉格角几乎与电子束平行。这意味着，当晶体平面几乎与电子束平行时，它们的传输强度将远离原始传输的光束。这表明图像屏幕或胶片上的黑暗区域。这种类型的比较称为透射比较。通过这种比较方法，我们可以了解大量关于样品晶体组成的信息。此外，因为样品可以在TEM为了提供更多的信息，可以产生一系列图像，不同的晶面进入布拉格条件进行透射。
事实上，电子衍射图可以通过TEM以稍有不同的方式记录操作。a插入物镜下方的物镜孔径被移除，以允许透射光束传输。下部透镜以稍有不同的方式配备，允许透射光束与以透射图案为核心的强散射光束一起投射到图像屏幕上。样品和屏幕之间的距离是已知的，波长也是如此。这些方法可以通过检索来获取晶体信息，这也有利于化合物识别。由于所有化合物都有特定的晶体结构和晶格间隔，因此可以从模式中确定，并与现成晶体库中的数据一致。
第二个常见的比较是原子序数的比较。在最简单的方法中，这意味着电子被样品中的一些高原子序数元素吸收，并将其能量转化为热量。一旦被吸收，这些电子就不能通过样品，每个人都会在下面的图像屏幕上留下一个黑暗
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