電子顯微鏡基本技術原理和誕生背景
04-14
作者：馳奔電鏡 Microexplore
電子顯微鏡（Electron Microscope）是採用電子束為光源，照射固體材料，以電子束散射的電子為信號，主要用於對材料表面或內部結構形態形貌進行高分辨成像，包括透射電子顯微鏡（TEM）、掃描透射電子顯微鏡（STEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）。下圖包括SEM和STEM高分辨圖像。
樣品信息和電子束的關係
電子束轟擊固體樣品，在其表面或內部發生散射時，各種散射信號被相應探測器採集後，可直接或間接體現固體樣品在微觀區域獨特的物理化學信息，如透射電子（TE 結構形體，電子衍射，能量損失譜元素及價態特徵）,二次電子（SE 形貌形態信息）,背散射電子（BSE 原子序數和相差異）,特徵X射線(EDX 體相元素組分），俄歇電子（AE 表面元素組分），陰極熒光（CL 電子態信息），等離子激發（EELS 元素及價態），電聲（電子通道反差）等。微觀物理化學結構特徵決定材料宏觀性能，對其開展精確分析意義重大。電子顯微鏡的發明，極大推動材料科技發展。
電子顯微成像
電子顯微鏡中，對電子束進行折射的物質為電場或磁場，中心對稱的磁場，其成像性質和高斯透鏡幾何光學一級近似，被稱為磁透鏡。磁透鏡可以是永磁和電磁。地球沿著南北極貫穿，可以看做一個巨大的磁透鏡，磁透鏡焦距固定；電磁透鏡通過改變線圈電流可改變透鏡磁場強度，從而改變透鏡焦距。
光學顯微極限解析度
麥克斯韋的接班人瑞利,根據德國物理學家恩斯特.阿貝對顯微鏡成像波動光學物理過程的解釋，推導出著名的電磁波顯微成像解析度極限判據Rayleigh Criterion；顯微鏡解析度衍射極限，差不多為入射波半波長。
光學顯微鏡的可見光局限
根據瑞利判據，提高光學顯微鏡解析度，需要使用更短波長的電磁波進行成像...... 縱觀整個電磁波譜，更小波長波段苦於沒有理想折射材料， 顯微鏡極限解析度就此打住在可見光波段嗎？
量子光學：
直到1900年，普朗克通過研究熱力學黑體輻射，假設熱輻射波（紅外電磁波）能量是不連續的，獲得成功，提出量子概念，修正了經典物理的理論；愛因斯坦使用量子概念，正確解釋了海因里希-赫茲發現的光電效應，證明了電磁輻射的量子性，提出波粒二象性光量子假說，奠定量子光學基礎；
量子論打開了面向微觀新世界的一扇窗！
物質波
年輕的德布羅意對普朗克和愛因斯坦的理論發生興趣， 1924年獲巴黎大學博士學位，在博士論文中首次提出了"物質波"概念。 第二年給出波長公式，計算了電子波長。（1kev λ=0.38Α；10kev λ=0.12Α）
物質波方程
1926年奧地利物理學家薛定諤提出物質波的一個基本方程，薛定諤方程， 可描述微觀粒子的運動，創立波動力學。
物質波被實驗證明
1927年，戴維孫和湯姆遜通過電子衍射實驗，證實高速電子的波動性（諾貝爾獎級實驗）。
電子光學誕生
1927年 Hans Busch理論上發現中心旋轉對稱的電磁場對電子束的控制行為，和玻璃透鏡對光線的控制，具有相同的法則，至少是一級近似。 柏林工業大學Max Knoll的學生Ernst Ruska，正在實踐中執行測量相關實驗任務，證實了Busch的預測。就此電子透鏡誕生。 同時理論學家們已經推導出電子透鏡傍軸方程，其他電子光學組件行為所尊從的規律，完善了電子光學理論。
電子顯微鏡誕生
1931~33年Max Knoll和他的學生Ernst Ruska研製世界首台透射式電子顯微鏡。儘管當時條件所限，解析度不及光鏡，但開創了電子顯微技術發展的先河。 1935年，轉戰電視技術的Knoll提出掃描電鏡概念。 1939年，透射電鏡加上掃描功能，實現STEM。 Ernst Ruska（恩斯特.盧斯卡）作為活著的電子顯微鏡發明人，1986年獲得諾貝爾獎。
本文作者：馳奔電鏡 Microexplore（轉載請註明）
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