透射电子显微镜

透射电子显微镜透射电子显微镜（Transmissionelectronmicroscopy，缩写TEM），简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像将在放大、聚焦后在成像器件（如荧光屏、胶片、以及感光耦合组件）上显示出来。由于电子的德布罗意波长非常短，透射电子显微镜的分辨率比光学显微镜高的很多，可以达到0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍。因此，使用透射电子显微镜可以用于观察样品的精细结构，甚至可以用于观察仅仅一列原子的结构，比光学显微镜所能够观察到的最小的结构小数万倍。TEM在中和物理学和生物学相关的许多科学领域都是重要的分析方法，如癌症研究、病毒学、材料科学、以及纳米技术、半导体研究等等。在放大倍数较低的时候，TEM成像的对比度主要是由于材料不同的厚度和成分造成对电子的吸收不同而造成的。而当放大率倍数较高的时候，复杂的波动作用会造成成像的亮度的不同，因此需要专业知识来对所得到的像进行分析。通过使用TEM不同的模式，可以通过物质的化学特性、晶体方向、电子结构、样品造成的电子相移以及通常的对电子吸收对样品成像。第一台TEM由马克斯·克诺尔和恩斯特·鲁斯卡在1931年研制，这个研究组于1933年研制了第一台分辨率超过可见光的TEM，而第一台商用TEM于1939年研制成功。第一部实际工作的TEM，现在在德国慕尼黑的的遗址博物馆展出。恩斯特·阿贝最开始指出，对物体细节的分辨率受到用于成像的光波波长的限制，因此使用光学显微镜仅能对微米级的结构进行放大观察。通过使用由奥古斯特·柯勒和莫里茨·冯·罗尔研制的紫外光显微镜，可以将极限分辨率提升约一倍[1]。然而，由于常用的玻璃会吸收紫外线，这种方法需要更昂贵的石英光学元件。当时人们认为由于光学波长的限制，无法得到亚微米分辨率的图像[2]。1858年，尤利乌斯·普吕克认识到可以通过使用磁场来使阴极射线弯曲[3]。这个效应早在1897年就由曾经被费迪南德·布劳恩用来制造一种被称为阴极射线示波器的测量设备[4]，而实际上早在1891年，里克就认识到使用磁场可以使阴极射线聚焦。后来，汉斯·布斯在1926年发表了他的工作，证明了制镜者方程在适当的条件下可以用于电子射线[5]。1928年，柏林科技大学的高电压技术教授阿道夫·马蒂亚斯让马克斯·克诺尔来领导一个研究小组来改进阴极射线示波器。这个研究小组由几个博士生组成，这些博士生包括恩斯特·鲁斯卡和博多·冯·博里斯。这组研究人员考虑了透镜设计和示波器的列排列，试图通过这种方式来找到更好的示波器设计方案，同时研制可以用于产生低放大倍数（接近1:1）的电子光学原件。1931年，这个研究组成功的产生了在阳极光圈上放置的网格的电子放大图像。这个设备使用了两个磁透镜来达到更高的放大倍数，因此被称为第一台电子显微镜。在同一年，西门子公司的研究室主任莱因霍尔德·卢登堡提出了电子显微镜的静电透镜的专利[2][6]。分辨率改进1927年，徳布罗意发表的论文中揭示了电子这种本认为是带有电荷的物质粒子的波动特性[7]。TEM研究组直到1932年才知道了这篇论文，随后，他们迅速的意识到了电子波的波长比光波波长小了若干数量级，理论上允许人们观察原子尺度的物质。1932年四月，鲁斯卡建议建造一种新的电子显微镜以直接观察插入显微镜的样品，而不是观察格点或者光圈的像。通过这个设备，人们成功的得到了铝片的衍射图像和正常图像，然而，其超过了光学显微镜的分辨率的特点仍然没有得到完全的证明。直到1933年，通过对棉纤维成像，才正式的证明了TEM的高分辨率。然而由于电子束会损害棉纤维，成像速度需要非常快。1936年，西门子公司继续对电子显微镜进行研究，他们的研究目的使改进TEM的成像效果，尤其是对生物样品的成像。此时，电子显微镜已经由不同的研究组制造出来，如英国国家物理实验室制造的EM1设备[8]。1939年，第一台商用的电子显微镜安装在了I.GFarben-Werke的物理系。由于西门子公司建立的新实验室在第二次世界大战中的一次空袭中被摧毁，同时两名研究人员丧生，电子显微镜的进一步研究工作被极大的阻碍[9]。进一步研究第二次世界大战之后，鲁斯卡在西门子公司继续他的研究工作。在这里，他继续研究电子显微镜，生产了第一台能够放大十万倍的显微镜[9]。这台显微镜的基本设计仍然在今天的现代显微镜中使用。第一次关于电子显微镜的国际会议于1942年在代尔夫特举行，参加者超过100人[8]。随后的会议包括1950年的巴黎会议和1954年的伦敦会议。随着TEM的发展，相应的扫描透射电子显微镜技术被重新研究，而在1970年芝加哥大学的阿尔伯特·克鲁发明了场发射枪[10]，同时添加了高质量的物镜从而发明了现代的扫描透射电子显微镜。这种设计可以通过环形暗场成像技术来对原子成像。克鲁和他的同事发明了冷场电子发射源，同时建造了一台能够对很薄的碳衬底之上的重原子进行观察的扫描透射电子显微镜[11]。背景知识电子理论上，光学显微镜所能达到的最大分辨率，d，受到照射在样品上的光子波长λ以及光学系统的数值孔径，NA，的限制：二十世纪早期，科学家发现理论上使用电子可以突破可见光光波波长的限制（波长大约400纳米-700纳米）。与其他物质类似，电子具有波粒二象性，而他们的波动特性意味着一束电子具有与一束电磁辐射相似的性质。电子波长可以通过徳布罗意公式使用电子的动能得出。由于在TEM中，电子的速度接近光速，需要对其进行相对论修正[12]：其中，h表示普朗克常数，m0表示电子的静质量，E是加速后电子的能量。电子显微镜中的电子通常通过电子热发射过程从钨灯丝上射出，或者采用场电子发射方式得到[13]。随后电子通过电势差进行加速，并通过静电场与电磁透镜聚焦在样品上。透射出的电子束包含有电子强度、相位、以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。电子源基本的TEM光学元件布局图。从上至下，TEM包含有一个可能由钨丝制成也可能由六硼化镧制成的电子发射源[14]。对于钨丝，灯丝的形状可能是别针形也可能是小的钉形。而六硼化镧使用了很小的一块单晶。通过将电子枪与高达10万伏-30万伏的高电压源相连，在电流足够大的时候，电子枪将会通过热电子发射或者场电子发射机制将电子发射入真空。该过程通常会使用栅极来加速电子产生。一旦产生电子，TEM上边的透镜要求电子束形成需要的大小射在需要的位置，以和样品发生作用[15]。对电子束的控制主要通过两种物理效应来实现。运动的电子在磁场中将会根据右手定则受到洛伦兹力的作用，因此可以使用磁场来控制电子束。使用磁场可以形成不同聚焦能力的次透镜，透镜的形状根据磁通量的分布确定。另外，电场可以使电子偏斜固定的角度。通过对电子束进行连续两次相反的偏斜操作，可以使电子束发生平移。这种作用在TEM中被用作电子束移动的方式，而在扫描电子显微镜中起到了非常重要的作用。通过这两种效应以及使用电子成像系统，可以对电子束通路进行足够的控制。与光学显微镜不同，对TEM的光学配置可以非常快，这是由于位于电子束通路上的透镜可以通过快速的电子开关进行打开、改变和关闭。改变的速度仅仅受到透镜的磁滞效应的影响。电子光学设备TEM的透镜可以对电子束进行聚焦，聚焦的角度是一个可以变化的参数，这样TEM就拥有了通过改变透镜线圈、四极子、或者六极子的电流来调节放大倍数的能力。四极子透镜是一种将电磁线圈垂直摆放在正方形的顶点的排列方式，从而使产生了聚焦用的磁场，而六极子配置通过使用六个线圈，提高了磁场的对称性。一般来说，TEM包含有三级透镜。这些透镜包括聚焦透镜、物镜、和投影透镜。聚焦透镜用于将最初的电子束成型，物镜用于将穿过样品的电子束聚焦，使其穿过样品（在扫描透射电子显微镜的扫描模式中，样品上方也有物镜，使得射入的电子束聚焦）。投影透镜用于将电子束投射在荧光屏上或者其他显示设备，比如胶片上面。TEM的放大倍数通过样品于物镜的像平面距离之比来确定。另外的四极子或者六极子透镜用于补偿电子束的不对称失真，被称为散光。需要注意的是，TEM的光学配置于实际实现有非常大的不同，制造商们会使用自定义的镜头配置，比如球面像差补偿系统或者利用能量滤波来修正电子的色差。成像设备TEM的成像系统包括一个可能由颗粒极细（10-100微米）的硫化锌制成荧光屏，可以向操作者提供直接的图像。此外，还可以使用基于胶片或者基于CCD的图像记录系统[17]。通常这些设备可以由操作人员根据需要从电子束通路中移除或者插入通路中。组成结构TEM的电子源在顶端，透镜系统（4、7、8）将电子束聚焦于样品上，随后将其投影在显示屏（10）上。控制电子束的设备位于右方（13和14）。TEM包含有若干元件，其中有一个用于传输电子束的真空系统，用于产生电子束的电子发射源，一系列的电磁透镜，以及静电盘。后两个器件允许操作者按照要求对电子束进行操作。此外，还需要一个设备将样品移入或移出电子束通路，以及在通路中移动。成像设备随后使用射出前述系统的的电子束成像。真空系统真空系统的作用有两方面，一方面可以在阴极和地之间加以很高的电压，而不会将空气击穿产生电弧，另一方面可以将电子和空气原子的撞击频率减小到可以忽略的量级，这个效应通常使用平均自由程来描述。标准的TEM需要将电子的通路抽成气压很低的真空，通常需要达到10−4帕[18]。由于TEM的元件如样品夹具和胶卷盒需要经常插入电子束通路，或者需要更换，因此系统需要能够重新抽成真空。因此，TEM不能采用永久密封的方法来保持真空，而是需要装备多个抽气系统以及气闸。用于将TEM抽成达到需要的真空度的真空设备包含有若干级。首先，需要使用旋片泵或者隔膜泵将TEM抽成低真空，以允许涡轮分子泵或者扩散泵将TEM抽至操作所需要的高度真空。为了让低真空泵不必连续运转，而涡轮分子泵连续的进行操作，低压泵的真空端需要与涡轮分子泵级联[19]。TEM不同段可以使用门阀隔离，以允许在TEM的不同的区域达到不同的真空度，例如在高分辨率TEM或者场发射TEM的电子枪处，需要真空度达到10−4至10−7帕，甚至更高的真空。高电压TEM需要极高的真空度，通常要达到10−7至10−9帕以放置产生电弧，特别是在TEM的阴极处[20]。因此高压TEM需要第三个真空系统，同时电子枪与主室使用门阀或者差动泵隔离。差动泵可以防止气体分子扩散入高真空电子枪区域的速度超过气体抽出的速度。对于这种非常低的气压，需要使用离子泵或者吸气材料。如果TEM的真空度达不到所需要的量级，会引起若干的问题，如进入TEM的气体会通过一种成为电子束致沉淀的过程沉淀于待观察的样品上，或者在更严重的情况下会导致阴极损伤[20]。由于样品导致的真空问题可以通过冷阱技术来吸收样品附近升华的气体。样品台TEM样品支撑网格，其上有一超薄切片。TEM样品台的设计包括气闸以允许将样品夹具插入真空中而尽量不影响显微镜其它区域的气压。样品夹具适合夹持标准大小的网格，而样品则放置在网格之上，或者直接夹持能够自我支撑的样品。标准的TEM网格是一个直径3.05mm的环形，其厚度和网格大小只有几微米到100微米。样品放置在内部的网格区域，其直径约2.5mm。通常的网格材料使用铜、钼、金或者铂制成。这个网格放置在与样品台配套的样品夹具上。大多数的样品台和夹具的设计依赖于需要进行的实验。除了3.05mm直径的网格，2.3mm直径的网格偶尔也在实际中使用。这些网格在材料科学领域中得到广泛应用，这是因为经常需要将样品倾斜很大的角度，而样品材料经常非常稀少。对电子透明的样品的厚度约100纳米，但是这个厚度与加速电子的电压相关。一旦插入TEM，经常需要对样品进行操作以使电子束照射在感兴趣的部分上，例如一个单晶粒在某个特殊的角度的衍射。为了达到这一目的，TEM的样品台需要能过使样品在XY平面平移，在Z方向调节高度，而且通常至少可以在某一方向上对样品进行旋转。因此TEM的样品台必须对样品提供四个运动的自由度。更现代的TEM可以为样品提供了