电子显微镜是什么?
在回答这个问题之前，我们需要先回顾一下显微技术的历史，也就是荷兰科学家安东尼·范·列文虎克(AntonivanLeeuwenhoek，英国人罗伯特·胡克·1632-1723(RobertHooke，两位科学家的工作是1635-1703。两者都在用玻璃透镜识别微生物方面发挥了重要作用，并且开辟了光学显微镜和微生物学领域。然而，随着这一领域的发展，德国科学家ErnstAbbe意识到光学显微镜将受到光学物理基本定律-“光衍射”的限制，这将限制光学显微镜的分辨率。它被称为“阿贝衍射极限”。根据Abbe的推断，显微镜无法区分距离。λ两个物体/2NA，其中，λ这是光的波长，NA是显像镜头的数值孔径。分辨率极限定义方程的核心是波长。λ。其分辨率与实现的分辨率成正比-波长越短，分辨率越好，这也是电子显微镜分辨率高的原因。
电子显微镜的发展是不可能的，如果没有德国科学家HansBusch(1884-1973)。他是第一个证明磁场可以聚焦电子束的人，类似于玻璃透镜的聚焦和可见光。德国科学家恩斯特·鲁斯卡(ErnstRuska，1906-1988年发现了Busch工作，并将其应用于电子显微镜的开发，从而获得了1986年的诺贝尔物理学奖。如果能减少电子波长，他也很清楚他的发现会有什么影响。法国物理学家路易·德布罗意(1892-1987)已经使用波粒二象理论来解决这一问题，表明电子束充作为波，其波长可以根据电子速度进行预测。这种情况可以通过电势加速电子来调节(实际上，这叫电子显微镜的加速电压)。下表1给出了不加速电压。
表1：电子波长在不同的电子加速电压下(电压越大，电子速度越大)。
加速电压(kV)
波长(pm)
现在显微镜分辨率的影响非常明显。上表所列电子的波长比能见光最低波长(380000pm)低5个量级左右。按照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影响。它是电子显微镜发展的理论驱动力。
因此，我们可以回答我们最初的问题。电子显微镜使用电磁透镜聚焦的电子束来显示所有类型的材料，空间分辨率远远超过标准光学显微镜。电子显微镜有两种常见类型:透射电子显微镜(Ruska开发的类型)和扫描电子显微镜。这两种类型也混合了带有扫描透射电子显微镜和散射检测器的扫描电子显微镜。然而，虽然技术已经成熟，但新技术的发展继续推动分辨率的极限发展。
电子显微镜的分辨率
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。但是其他因素也很重要，比如显微镜中的磁透镜和电磁透镜中的像差效应。不同类型和复杂程度的电子显微镜的分辨率限制在下表2中。请注意，一些现代透射电子显微镜(TransmissionElectronMicroscope，简称TEM)设计能够实现其它原子级分辨率。
表2：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
桌面扫描镜(可放置在桌面上的紧凑型热源)
~3-15纳米
热发电子源扫描电镜电镜
3纳米
扫描电镜在肖特基场发射。
0.6纳米
透射电镜120kV
0.2纳米
透射电镜200kV
0.1纳米
电子显微镜的类型及其工作原理
透明电子显微镜(TEM)
在TEM中，通过样品传输一束加速电子，通过各种方式与样品相互作用获取不同类型的信息，然后通过样品下方的显示屏、薄膜或半导体检测器检测出来。TEM在光束穿过样品时有两个基本要求。第一，加速电压必须足够高，这样电子束才能穿过样品而不被完全吸收，第二，为了满足这个要求，样品必须非常薄，厚度一般为100nm。最后一个要求是样品平均原子数的函数。构成金属和合金的重要元素是较强的电子吸附剂，而且对样品厚度的要求也比较严格。另外，生物样品主要由C组成、H、O、N和这些低原子序数元素组成，并且不易吸收电子，因此可容纳较厚的样品。一般采用超薄切片法制备生物样品，将样品嵌入塑料树脂中，然后用含玻璃刀或金刚石刀的切片机切片。无机材料也可以这样制备，但更常见的是将它们切成3毫米的圆盘，打磨抛光，最后用离子束或电解液打薄。在电子传输中，穿孔周围的区域将足够薄。在远离穿孔点时，这些样品会逐渐变厚，因此样品的薄厚效应会降低透射率，这是一个小缺点。或者减少离子束。它具有精确采样点选择和产生相对匀称厚度的样品优点。但是，该技术仪器价格昂贵，需要大量的操作技能。
下图1显示了描述TEM主要电子光学器件的示意图。图中(a)中间显示了TEM在明场显像模式下的操作。从仪器顶部的电子源开始，最常见的是W钨丝(热发射电子)或场发射源(通过从源尖端提取电子施加高电位)。场发射源可以是热辅助(称为肖特基场发射源)，也可以不是热发射源(称为尴尬聊天发射源)。然后用一组聚光镜将光束定型为样品并穿过样品。光束通过样品后，用一组镜片(物镜、中间镜片和投影仪镜片)聚焦图像。
图1：(a)明场显像的方式和(b)TEM示意图在电子衍射模式下。
但是，除非图像显示某种方式的对比，否则图像用处不大。在TEM中形成对比度的方法有很多。例如，在TEM中显示的许多类型的样品本质上是晶体，受布拉格方程给出的电子衍射定律的限制:
nλ=2dsinθ
其中λ这是电子的波长，d是晶面间隔的特定角度，θ它是布拉格衍射角，n是反射级。TEM用于200kV加速电压，波长为(上表1)0.00251nm。例如，晶体间隔最大的金属Cu中原子的晶体表面，D间隔为0.207nm，我们可以解决sin。θ。
Sinθ=0.00251nm/2x0.207nm=0.0061;θ=0.35°
这告诉我们，衍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，其衍射强度会远离原始传输的光束。这表现为图像屏幕或胶片上的暗区域。这种类型的比较被称为衍射比较。通过使用这种比较方法，我们可以了解大量由相关样品晶体组成的信息。此外，由于样品可以在TEM中倾斜，可以生成一系列图像，不同的晶体进入布拉格进行衍射，从而提供更多的信息。
事实上，电子衍射图可以通过TEM以略有不同的方式记录。物镜下方的物镜孔径在上图1a中被移除，以允许衍射光束传输。下方镜片以略有不同的方式配备，允许衍射光束与以衍射图案为核心的强散射光束一起投射到图像屏幕上。已知样品和屏幕之间的距离，波长也是如此。这些方法可以通过检索获取晶体信息，也有利于化合物识别，因为所有化合物都有特定的晶体结构和晶格间隔，可以从模式中确定并与现成的晶体库中的数据符合。
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