透射電子顯微鏡的起源與發展

透射電子顯微鏡的起源與發展

透射電子顯微鏡起源于20 世紀20~30 年代。1924 年，德布羅意提出了粒子具有波動性。1926—1927 年，Davisson、Germer 以及Thompson Reid 實驗發現了電子衍射，從而證明了電子的波動性，因此想到可以用電子代替可見光來制作電子顯微鏡，以克服光波長對分辨率的限制。1926 年，德國學者Busch提出采用軸對稱的磁場有可能使電子聚焦，為電子顯微鏡的制作提供了理論依據。1933年，Ruska 等人做出了世界上第一臺透射電子顯微鏡。1934 年，電子顯微鏡的分辨率已經達到了500?，Ruska 也因此獲得了1986 年的諾貝爾物理學獎。1939 年，德國西門子公司造出了世界上第一臺商品透射電子顯微鏡（TEM），分辨率優于100 ?。之后，美國Arizona 洲立大學物理系的Cowley 教授等定量地解釋了相位襯度像，即所謂高分辨像（高分辨TEM 圖像見圖3），從而建立和完善了高分辨電子顯微學的理論和技術。高分辨電子顯微術能夠使大多數晶體中的原子列成像，目前高分辨電子顯微術已經是電鏡中普遍使用的方法，其分辨率已經達到了1~2 ?。

除了波長限制了透射電鏡的分辨率外，透射電鏡的像差，包括色差、球差、像散和畸變，也使得透射電鏡的分辨率難以突破1 ?。20 世紀末，球差校正器研制成功，球差校正電子顯微鏡減小了非局域化效應的影響，進一步提高了透射電鏡的分辨率，已經達到了亞埃量級。隨著球差校正電子顯微鏡應用的普及，球差校正電子顯微學在逐漸形成和發展。此外，近20 年來，隨著電子顯微術的不斷發展，掃描透射電子顯微鏡術（STEM，其圖像見圖4）也成為了廣泛應用的表征手段。相比于傳統的高分辨相位襯度成像技術，掃描透射電鏡具有分辨率高，對化學成分敏感，圖像直觀容易解釋等優點。其中高分辨掃描透射電子顯微鏡可以直接獲得原子分辨率的Z 襯度像，結合X 射線能譜和電子損失譜，還可以獲得原子分辨率的元素分布圖和單個原子列的能量損失譜，因此可以在一次實驗中得到原子分辨率的結構、化學成分和電子結構等信息。