关于电子显微镜介绍

[拼音]：dianzi xianweijing

[外文]：electron microscope

利用电子束照明，经电磁或静电透镜聚焦，以得到物体高放大倍数显微像的设备。电子的加速电压一般为100～200千伏，相应电子波长为0.037～0.025埃，约为可见光波长的十万分之一。所以电子显微镜（以下简称电镜）的分辨本领比光学显微镜高得多。第一台电镜制于1931年，其结构与普通光学显微镜相似，为透射电镜。60年代末发展了扫描电镜，70年代从透射电镜发展出超高压电镜和高分辨电镜，并把透射和扫描电镜技术结合起来，再加上微区成分分析技术，发展成分析电镜。

主体由电子q、聚光镜、试样室、物镜、中间镜、投影镜、观察室和照相室组成。这些部件都置于真空中。透镜多为电磁式。从电子q发出的电子束经聚光镜缩小后，照射在薄膜试样上，试样厚度一般小于1000埃，电子束穿过试样后，一方面在物镜的像平面上形成物体的放大像，另一方面在物镜的后焦面上形成电子衍射图。调节中间镜的电流，可任选物体的像或电子衍射图来进行放大，经投影镜再次放大中间镜像平面上的放大像，最终的放大像落在观察室的荧光屏或照相底板上。试样室一般装有倾转台，用以改变试样相对于入射电子束的方位，并可装配加热、冷却和拉伸等各种试样台。在观察室下方可以安装摄像管，再连接到电视屏幕和录相装置上，作各种试验的动态观察。

透射电镜中的成像机制大体上可分为三类，它们相应于吸收衬度像、衍射衬度像和相位衬度像。当电子束穿过薄膜试样时，膜上各处的质量厚度不一，对电子的散射能力各异。质量厚度大的地方对电子的散射角大，反之亦然。这样，物镜后焦面上的光阑就把散射角大的电子吸收掉，使像上出现衬度。如此形成的像称为吸收衬度像，它能反映出试样内部的显微组织。早期的透射电镜只能观察吸收衬度像。对于大块固体材料，只好用有机材料把固体表面的形貌复制下来，做成表面复型。复型的电子显微像能反映出固体表面的形貌。50年代中期发展了能间接地提供晶体缺陷信息的衍射衬度像，简称衍衬像。衍衬像是用晶体的衍射电子束或透射电子束成像，像衬度源于电子衍射波(或透射波)振幅的变化。电子束被薄晶体试样衍射后，试样下表面不同地点的衍射波振幅（及强度）分布对应于晶体各部分不同的衍射能力。当晶体中存在缺陷时，缺陷区域的衍射能力不同于完整区域，使各衍射波（从而使透射波）的振幅（及强度）分布不均匀，反映出晶体缺陷分布的情形。这就是衍衬像成像机制的简单原理。衍衬像的发展还使透射电镜增添了进行电子衍射观察的功能，于是使原来互不相干地发展着的两个学科──电子显微学和电子衍射──汇合起来。当试样薄至 100埃以下时，电子穿过试样后，波振幅变化甚微，可忽略不计。此时像的衬度源于电子波的相位变化，形成的像称相位衬度像。

除电子显微像外， 利用透射电镜还可以观察电子衍射图，如高分辨衍射、选区衍射、微区衍射和会聚束衍射等。

透射电镜的加速电压一般为100或200千伏。试样厚度不能超过数千埃，为了观察厚试样，发展了加速电压达1000千伏的超高压电镜，使观察试样可厚达数微米。超高压电镜的结构与一般透射电镜相似，只是尺寸大得多。

高分辨电镜一般指具有厚尺度分辨本领的透射电镜，用来观察很薄试样的相位衬度像。晶体的相位衬度像可分为点阵像和结构像。点阵像只反映出晶体结构沿电子束入射方向投影的周期；结构像上则还直观可见原子或原子团，是直接观察晶体结构和缺陷的有力手段。提高电镜分辨率的途径有二，一是改善物镜极靴质量，二是提高电子的加速电压。一般的高分辨电镜基于前一途径。二者兼用的电镜称超高压高分辨电镜。

电子q发射出的电子束斑经聚光镜缩小到几十埃后，用偏转系统使电子束在试样表面上扫描。电子束与试样表面作用后，激发出次级电子，经探测器收集，放大器放大，调制一个同步扫描的显像管亮度，形成图像。凹凸不平的试样表面各处与入射电子束有不同的夹角。夹角愈大，电子束激发出的次级电子愈少，在像上就显得愈暗，反之就显得愈亮。由此产生黑白分明、有立体感的图像。像的放大倍数等于显像管上扫描幅度与试样上电子束扫描幅度之比。扫描电镜的分辨本领略大于电子束斑直径。目前，扫描电镜的分辨本领一般为60～100埃。在扫描电镜中，除次级电子外，还可用其他信号成像。背散射电子（在试样内经多次散射再从试样表面穿出的入射电子）所成的像可用来识别原子序数的差异。标识Ｘ射线所成的像可提供元素分布情况。电子束诱导电流和阴极荧光可用来检验半导体器件。电子沟道图可用来测定晶体的取向。

在扫描电镜的发展前期曾同时发展起电子探测束，它是一种微区成分分析装置。其原理是利用微小的电子束斑激发试样的标识Ｘ射线，经晶体分光后再测定试样的成分。后来，扫描电镜也大都带有微区成分分析的装 置。现在的商品扫描电镜中，有一类是侧重于作微区成分分析用的，这类扫描电镜已逐渐取代了单独进行微区成分分析的电子探测束。扫描电镜中进行X 射线微区成分分析的装置有两类：一类是X 射线波谱分析仪，它与过去的电子探测束相似，特点是借助布喇格定律，利用晶体分光；另一类是X 射线能谱分析仪，它利用锂漂移硅探测器进行能量分光，探测器中产生的电子-空穴对与入射光子能量成正比。波谱仪的波长分辨率高，能探测原子序数 ≥5的所有元素，不足之处是一个谱仪一次只能测定一种标识X 射线。能谱仪则可同时测定试样中发出的全部能量高于数百电子伏的标识X 射线，但能量分辨率差，目前只能分析原子序数≥11的元素。

集中了透射和扫描电镜的功能。它的特点是可以在试样的同一个微小区域内进行电子显微像观察、电子衍射观察以及成分分析。分析电镜的结构是在一般透射电镜的基础上加上扫描附件和X 射线能谱仪。近来又加上了电子能量损失谱仪。电子能量损失谱分为电离损失谱、扩展电离损失谱精细结构和等离子体激元损失谱。电离损失谱可用于成分分析，它基于透射电子激发试样中原子内层电子而引起的能量损失，特点是可以分析碳、氮、氧等轻元素，探测极限低，空间分辨率高，已逐渐发展为分析电镜中的常规方法。电离损失谱有时有几十至几百电子伏的起伏，称扩展电离损失谱精细结构，它和扩展X射线吸收精细结构谱相类似，可以从中得到有关原子近邻位置和数目的信息。等离子激元损失谱则可用来测定价电子的浓度。

参考文章

• 与光镜相比，用于电子显微镜的组织固定有什么特殊的要求?生物知识
• 试比较光学显微镜与电子显微镜的区别。生物知识
• 为什么电子显微镜需要真空系统(vacuumsystem)?生物知识
• 为什么电子显微镜不能完全替代光学显微镜？生物知识