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透射电子显微镜原理及应用分析

【摘要】:1931年,德国科学家M.Knoll和E.Ruska用冷阴极放电电子源和三个电子透镜改装了一台高压示波器,并获得了放大十几倍的图像,证实了利用电子束光源制备显微镜的可行性。如图3-15所示,西门子公司在1936年制造了第一台商用透射电子显微镜,其分辨能力显著优于光学显微镜分辨极限,从而TEM开始受到人们的重视。

图3-15 JEM2100型透射电镜

1925年De Broglie发现了波粒二相性,使人们认识到电子束的波动性;1926年Busch指出具有轴对称的磁场对电子束可起到透镜的作用,使电子束聚焦成像具有了形成理论的可能性。1931年,德国科学家M.Knoll和E.Ruska用冷阴极放电电子源和三个电子透镜改装了一台高压示波器,并获得了放大十几倍的图像,证实了利用电子束光源制备显微镜的可行性。如图3-15所示,西门子公司在1936年制造了第一台商用透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM),其分辨能力显著优于光学显微镜分辨极限,从而TEM开始受到人们的重视。20世纪50—60年代,剑桥学派发展了质厚衬度理论,建立起了对于晶体材料结构分析的系统方法。在这一理论的指导下,金属学家、材料学家利用TEM解决了大量的材料结构问题,极大地推动了金属学、材料学等一系列学科的研究进展,开创了多种学科研究的新领域[20,21]。70年代,随着电子显微镜制造技术的进步,催生了高分辨电子显微学,使利用电子显微镜直接获得原子级分辨率成为可能。在这一时期,多种分析技术都得到了发展,如X射线能量分散谱(X-ray energy dispersive spectrum,EDS)技术的出现,使得可以利用TEM确定微区的材料组分;电子能量损失谱(electron energy loss spectrum,EELS)技术的发展使得可以利用TEM确定微区组分与元素的化合态;而会聚束电子衍射分析技术的发展,使TEM可用来确定晶体材料的空间群等等。总之,这一时期的TEM已经成为一种综合性分析仪器,利用TEM不但能够获得材料的形貌信息,同时也能够获得晶体结构晶体缺陷、组分、化合态等多种信息,成为材料研究的最重要的工具之一。由于TEM在科学研究中的重大作用,1986年鲁斯卡获得了诺贝尔物理学奖,充分显示出科学界对于TEM在科学研究中的重要性的认可。随着纳米科技的兴起,TEM作为纳米学中一个极为重要的技术手段,也得到了越来越广泛的应用。