本文系材料人电镜月征文参赛作品，由天津理工大学荆长飞征文供稿。

近些年来，得益于电子光学系统的不断完善和提高，电子显微镜的分辨率越来越高，已经使人们对物质空间的认识水平进入亚埃尺度。并且随着诸如球差矫正、色差矫正、扫描透射电子显微技术、差分相衬度技术、高时空分辨技术等成像手段和技术的不断成熟，人们从样品里获得的信息越来越丰富。同时现在的电子显微镜借助配置的能谱仪、电子能量损失谱仪等辅助设备，已经可以获得样品原子分辨的晶体学信息、成分信息、缺陷及电子结构等信息，这是其他表征手段无法替代的。

一、开端及发展

图1. 显微领域的发展

16世纪末眼镜商们就提出了显微镜的设想。直到1655年，Robert Hooke发明了真正具有科学研究价值的显微镜，将人们带入微观的世界中，并将观察所得写成《显微术》一书。1827，植物学家Brown通过显微镜观察水中悬浮的花粉粒子时，提出布朗运动的观点。随后，使用光学显微镜的研究在越来越的领域被报道，人们也不断地提高光学显微镜的分辨率以往更加微观的世界进发。但光学显微镜受其光源波长的限制分辨本领有限，如式（1）。

                   式（1）

其中d为最小分辨距离，λ为光源波长，n透镜周围的折射率，α是透镜对物点张角的一半，n·sinα称为数值孔径，用N.A表示

1897年，J. J. Thomson证明电子的存在以及电子的粒子性。1924年，de Broglie提出德布罗意物质波的概念。1927年，Davisson和Germer通过衍射实验证明了电子的波动性，同时G. P. Thomson拍到了第一张电子衍射照片，这为电子显微镜的诞生创造了条件。1931年，德国E. Ruska教授与其导师M. Knoll研制出世界上第一台电子显微镜（TEM）。利用电子显微镜的高分辨率人们对微观世界的认识不断加深，同时电子显微镜的分辨率也不断提高。1991年，Iijima教授利用电子显微镜观察到碳纳米管，极大推动了高分辨电子显微学的发展。现在，使用球差校正器的透射电镜的分辨率已经可达39 pm。未来球差校正器有望成为透射电镜的标配，具有球差校正功能的透射电镜将越来越普遍，但典型的商业透射电子显微镜仍然是一种极其昂贵的设备，每电子伏特大约要花费5美元，若把所有费用都考虑在内则每电子伏特将达10美元^[1]。

二、电子显微镜的主要结构

电子显微镜是一个复杂的系统主要包括电子源、透镜、探测器、真空系统以及控制各部分运行的控制系统等几部分，每一部分都含有极其复杂的机械电子装置，本部分只简要说明电镜系统的电子源、电子透镜和探测器三部分。

1.电子源（枪）

电子源是电子显微镜中用来“照射”样品的重要部分，电子源的质量直接影响电镜的成像质量和其他信号的质量，其种类也很多，但主要有两种：热电子发射和场发射电子源。热电子发射的灯丝主要有钨灯丝（已经很少用了）和六硼化镧（用得较多），场发射电子源一种是冷场发射，使用钨针尖（钨针尖可以加工的极细，晶向<310>）作灯丝，在外加电场的作用下电子隧穿钨表面的功函数大大降低，冷场发射电子源需维持超高真空（<10^-9 Pa）并定时做“flash”处理以防止灯丝污染和氧化，但其优点是单色性好图像分辨率高。另一种是热场发射（也叫肖特基发射源），其灯丝是将钨单晶表面用氧化锆处理，在真空环境中加热针尖，即保持针尖干净也促进电子发射，大大改善了灯丝的发射特性，尤其是稳定性，是目前比较流行的优质发射源。几种常见灯丝其形貌如图2所示。电子源的质量通过产生的电子束的特征（亮度、相干性以及稳定性等）进行判断。同时，必须认识到电子源的能量密度极高，从能量密度上看TEM电子源是已知连续辐射源中亮度最大的，甚至比超新星还要亮很多。例如，对于100 keV的电子枪，可以在直径1 nm的区域上产生1 nA的电流，若将电流密度转换成能量单位（1 W = 1 J/s），则电子束落在样品上的能量密度可由式（2）计算，结果可知电子束的能量接近150 MW/mm²，但幸运的是样品并不会吸收全部能量，否则在如此高的能量下样品将直接蒸发。与之相比，一台常规涡轮发电机的输出功率为350 ~ 1000 MW。如此高的能量对人体而言是极其危险的，电镜操作者必须保持有敬畏之心，严格按操作流程操作，保护自己的同时也要保护相机。

   式（2）

科学研究中为便于评估电子束对样品的损伤，大多使用电子剂量作为参考，电子剂量定义为撞击样品的单位面积内的电子数（e/nm²）或电荷密度（C/nm²）。常规TEM高能电子束的照射量已经远大于人体组织的致命剂量^[1]。对样品产生一定程度的损伤，主要有辐照分解、撞击损伤或溅射、加热三种形式。

图2. 电镜中几种常见灯丝及电子枪

2.电子透镜

电子透镜和光学显微镜中的玻璃透镜类似，具有会聚光线的作用，有静电透镜（在电子枪中出现）和磁透镜（镜筒中的透镜大多是磁透镜）两种。与光学显微镜的透镜不同的是电子透镜的会聚能力是可控的，这也赋予了电子显微镜更加灵活的操作，不必通过更换透镜或上下移动透镜来聚焦图像和改变放大倍数。但遗憾的是，真实的电子透镜由于存在球差、色差和像散等缺陷导致其相当的不完美，现阶段最好的电磁透镜大概同可口可乐瓶底做的放大镜相当。对透镜的基本操作在成像、衍射和显微分析中至关重要，电磁透镜如图3所示，主要由极靴和环绕在极靴上的铜线圈组成。

图3. 电镜中的电磁透镜

球差：通俗讲是由于透镜上离轴越远的区域对电子束的会聚能力越强，导致点状物经过透镜后成为一个盘，限制了最小可分辨的距离。物理上，球差效应使来自光源的球状波前曲率增加。可通过球差校正器对球差系数进行校正，使光线重新会聚到“点”上，球差校正器与像散校正器不同的是，C_s校正有一组通过计算机控制的复杂的四极、六极、八极透镜组成。

色差：电子束能量的发散，场发射电子源的电子束能量发射最小约0.3 eV。可通过使用单色器得到单色性好的电子束（趋向于单一波长），但比较昂贵。

像散：来自于不均匀的电磁透镜磁场，可通过八极透镜构成的消像散器进行补偿。不均匀的磁场可能来自（1）极靴的加工精度，不能加工成非常完美的对称的圆形。（2）光阑没有精确的与光轴重合。（3）光阑受到污染。

透镜的缺陷使点成像为具有一定半径的高斯像，这就限制了显微镜的分辨率。TEM的图像分辨率由物镜决定，STEM的分辨率由电子束束斑尺寸和束流强度决定。

3.探测器

由于人眼对电子不可见，必须借助其他手段将电子强度转化成可见光分布，探测器和荧光屏是主要工具。扫描电镜中探测器的分布如图4，正是借助这些探测器我们得以获得样品的各种信息，包括形貌、成分及晶体学信息等。透射电镜中荧光屏和探测器都有使用。不同的信号选择不同的探测器，半导体探测器只对有足够能量能穿透金属接触层的电子敏感（>5 keV），适用于高能背散射电子（BSE）。而对于低能二次电子（SE）则适合使用闪烁体光电倍增系统（PMT）。对于反应速度很快并且需要实时TV记录的情况，电荷耦合器件CCD和PMT更加适用。对于TEM/STEM光轴上和环形前向散射电子的探测，半导体探测器和PMT两者皆可。

图4. 扫描电镜中探测器的分布

三、新技术

除“经典”透射电子显微镜成像以外，电子显微镜仍有许多有趣的成像模式，此处简要介绍几种，例如：电子全息术、积分差分相位衬度（iDPC）、三维重构。

1.电子全息术

场发射电子源的普及，使电子全息术重新焕发出新的活力，利用该技术可以校正部分C_s的影响，提高TEM的分辨率，因此可以使无球差校正器的电镜设备得到高分辨率的图像。但该技术仍需硬件的辅助，需要使用安置在物镜下方的电子束分离器，它由一根表面镀有金属的细玻璃丝构成也叫双棱镜，将电子束分成两束，一束穿过样品另一束形成参考束。利用该技术提高分辨率研究目前仍有很大的空间，未来将会应用在越来越多的领域，同时也会越来越成熟。

图5. 电子全息术原理

2.差分相位衬度

图6. 差分相衬度原理

该技术涉及比较复杂的物理知识，具体描述在图6所示的参考文献中。主要通过一个四均分且彼此独立的环形探测器采集信号，在无样品时四个探头采集的信号应均匀分布，当电子束通过样品时四个探测器接收的信号会存在差异，如图6所示，电子束与样品相互作用使束斑偏离中心，根据电子光学相关的物理学原理通过对各探测器的数字信号进行差分分析可以获得样品的电场及磁场分布情况，甚至得到类似于原子分辨的高角环形暗场像（HAADF）。

3.三维重构

电镜三维重构技术主要有三种手段：（1）3D Electron Tomography将样品倾转不同角度（±65°）拍摄不同角度下样品的TEM像（三维结构的二维投影），然后利用计算机结合相关算法进行三维结构的重构，这个方法由于缺失锥的影响最后的三维模型会存在风扇效应。（2）Statistical Parameter Estimation利用单张或少量图片即可进行三维结构的重构，通过对高分辨像的明暗衬度进行统计分析构筑三维模型，将三维模型进行图像模拟并与真实图像进行比对，优化调整后得到三维重构模型。（3）Single Particle Analysis在样品动态变化过程中拍摄一系列图像，这些图像包含不同位向下样品的信息然后通过计算机建模，不断优化后得到三维重构模型。

四、参考资料

[1] C. Barry Carter, David B. Williams. Transmission Electron Microscopy[M]. Springer, Cham:2016-01-01.

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