电子显微镜的发展及现状
20130125001
李智鹏
2014/10/8
电子显微镜的发展及现状
摘要：本文综述了电子显微镜的发展，电子显微镜的主要分类，它们在生活当中的应用以及国内显微镜的现状。
关键词：电子显微镜发展应用现状
1、引言
显微镜技术的发展,是其他科学技术发展的先导,在17世纪60年代出现的光学显微镜,引发了一场广泛的科技进步, 促进了细胞学和细菌学的发展。
使人类的观测范围进入微观世界,导致了一大批新的领域进入人类的研究范围,促进了许多学科的创立和发展。
三百年来，光学显微镜巳经发展到了十分完善的地步。
而我们知道，分辨率极限的量级为入/a带，对于光学显微镜，最短可见光波长约为400。
人，最大数值孔径约1。
4，故只能获得亚微米量极的分辨率。
于是，人们开始寻找较短波长的光源，X射线波长为几个埃，Y射线波长更短，但它们都很难直接聚焦，所以不能直接用于显微镜。
[1]
20世纪30年代出现的电子显微镜技术,更进一步拓宽了人类的观测领域,同样导致了大批新学科、新技术的出现.可以说,现代科学技术的研究工作,已很大程度依赖于电子显微镜技术的使用,尤其是在纳米技术、材料技术、生命科学技术等研究方面,没有电子显微镜技术的帮助,它们几乎是无法进行的.随着科学技术的不断进步,电子显微镜技术的应用越来越广泛,同时电子显微镜技术本身也在不断快速发展.从最初的电子显微镜开始,已经逐步发展出扫描电子显微镜、扫描隧道电子显微镜、原子力电子显微镜、扫描离子电导显微镜、扫描探针电子显微镜等.这些先进的仪器现已广泛地应用于物理学、化学、材料科学和生命科学领域的研究和检测工作中.在纺织科技研究工作和纺织材料及纺织品检测过程中也得到了广泛的应用[2]。
本文仅对电子显微镜技术在出土古代纺织品检测方面的应用作一初步探讨。
电子显微镜(简称电镜,EM)经过五十多年的发展已成为现代科学技术中不可缺少的重要工具。
我国的电子显微学也有了长足的进展[3]。
电子显微镜的创制者鲁斯卡(E.Ruska)教授因而获得了1986年诺贝尔奖的物理奖[4]。
2、电子显微镜的发展过程
20世纪30年代,德国科学家诺尔(M. knoll)和卢斯卡(E. Ruska)在电子光学的基础上,研制出了世界上第一台透射式电子显微镜(Transmission ElectronMicroscope,TEM,简称透射电镜),成功地得到了用电子束拍摄的铜网像,尽管放大倍数只有12倍,但它为以后电镜的发展和应用奠定了基础.此后经过科学家们半个多世纪的努力和改进,透射电镜的分辨本领现已达到了0. 1nm~0. 2nm,几乎能分辨所有的原子.此后又相继出现了能直接观察样品表面立体结构的扫描电子显微镜(Scanning ElectronMicroscope, SEM,简称扫描电镜),其分辨率为3nm~6nm和能进行活体观察的超高压电镜,实现了人们直接观察生物大分子结构和重金属原子图像的愿望[5]。
2.1扫描式电子显微镜扫描式电子显微镜中的电子束,在样品表面上动态地扫描,以
一定速度,逐点逐行地扫描样品的表面.样品逐点地发出带有形态、结构和化学组分信息的二次电子,这些电子由检测器接收处理,最后在屏幕上显示形态画面.图像为间接成像,其加速电压为1kV~30kV.
2.2扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope,STM)G.Binnig和H.Rohrer在
1981年研制成功扫描隧道显微镜,并因此获得1986年诺贝尔物理奖.扫描隧道显微镜(STM)是利用导体针尖与样品之间的隧道电流,并用精密压电晶体控制导体针尖沿样品表面扫描,从而能以原子尺度记录样品表面形貌的新型仪器.其分辨率已达到1nm~2nm,
用它可研究各种金属、半导体和生物样品的表面形貌,也可研究表面沉积、表面原子扩散、表面粒子的成核和生长,吸附和脱附等.
2.3原子力显微镜(AtomicForceMicroscope,AFM)原子力显微镜是Binnig等人在1986年提出的,将扫描隧道显微镜的工作原理和针式轮廓曲线仪原理结合,制成了原子力显微镜.
2.4扫描探针显微镜(ScanningProbeMicroscope,SPM)扫描探针显微镜是在扫描隧道显微镜和原子力显微镜基础上发展起来的,是20世纪80年代以来迅速发展起来的纳米科技,特别是纳米测量学、纳米表征与测量方法中最重要最基本的手段.其工作原理是:以尺寸为原子级的非常细的探针和被测样品表面作为工作的主要元件;用灵敏度可达0. 5nm/V的压电陶瓷在X和Y两个方向上完成探针与样品之间的相对运动(扫描),用探针在Z方向的升降来模拟样品表面的起伏;用探针与样品间的相互作用所产生的物理量的数值随样品表面起伏的变化来调制显示器的灰度,从而达到观察样品表面形貌的目的。
2.5 高压电子显微镜通常,将加速电压高于500kV的电子显微镜称为高压电子显微镜或超高压电子显微镜。
它的主要特点是:1、照明电子束的电子波长短,理论分辨率高。
2、电子束的电子穿透能力强,试样的可观察厚度大,所获得的微结构、微缺陷等观察结果更接近实际材料的真实情况。
3、对试样中物质的原子有很强的辐照离位效应,利用它可以模拟反应堆的中子辐照效应,研究材料的抗辐照性能;另一方面,高压电子束的电离损伤很小,它又有利于许多辐照敏感的有机物质的微结构观察。
4、物镜的励磁电流强,因此,物镜的尺寸大,试样室的空间范围宽,适宜于安装各种动态实验附件,进行“原位观察”实验。
3、电子显微镜的应用
3.1 电子显微镜在出土纺织品检测上的应用电子显微镜可以用于纺织材料的检测与鉴定、用于织物结构的观察研究、用于纤维与纱线结构的观察与检测、用于对染整工艺的观察与鉴定。
通过电子显微镜的观察,不仅可以知道纺织材料的表面特征,也可以知道材料的内部结构和化学组成,进而可以判定其许多理化性能指标,指导进一步的材料研制工作.对于出土纺织品,首先就需要确定其所使用的纺织材料的种类、特点、结构和性能,通过电镜观测,基本可以准确鉴定。
,使用电子显微镜能够进行准确快速的观测,织物结构和微观形态清楚明显,对于古代纺织品的研究和鉴定有着不可替代的作用。
使用电子显微镜对纤维和纱线的性能、结构以及组成进行研究,有助于深入了解纺织材料的基本特征,加快新型纺织材料的设计与制造,可以指导纺织产品的设计和开发。
.通过电子显微镜对纺织品的染整工艺进行微观观察,有助于了解染整对纺织品的作用情况,进而指导改进染整工艺.对于出土纺织品,对其进行染整工艺的电子显微镜观察,可以用来鉴定古代的各项染整工艺和措施,鉴定出土纺织品所使用的染整材料等。
3.2 高压电镜应用方面的发展可用于所有研究目的的“万能”高压电子显微镜是不存在的。
高压电镜的主要应用研究领域有：高压高分辨电子显微研究[6], 原位动态实验研究。
日本京都大学和日本无机材料研究所的高压电镜中安装了EELS装置,他们用该装置进行了一些应用研究;名古屋大学的高压电镜中安装了场发射电子枪,开展了以扫描透射电子显微学(STEM)为特征的研究工作;上个世纪末,日本科学技术振兴事业团安装的高压高分辨电镜装有相干性非常好的场发射电子枪,晶格分辨率已达到0·05nm,主要应用于全息照相技术、超导磁力线等量子力学现象的观察和生物大分子观察等新领域的研究。
[7]
3.3 扫描电子显微镜在气象科学中的应用对于气象科学研究者来说,随着研究的不
断深入,研究领域逐渐从宏观定性向微观定量方向拓展,扫描电子显微镜就是研究大气颗粒物微观特性最用的工具之一,最主要的应用就是开展大气颗粒物的形貌观察分析和化学组分分析等研究。
为深入认识当前人工影响天气作业中广泛使用的AgI焰剂的成冰特性,苏正军等[8]利用电子显微镜对含AgI焰剂产生的人工冰核粒子尺度特征进行了分析研究。
并根据扫描电子显微镜获取的粒子物理化学特性来讨论了焰剂的成冰特性。
本文通过人工冰核颗粒物的扫描电子显微镜研究的实例来说明其应用。
4、结束语
随着国家对科研、教育事业的投入逐年增加,我国科研院所和大学的仪器设备明显改善,每年从国外引进大量的透射电镜和扫描电镜。
从整体上看,虽然我国电镜实验室的装备水平有明显改善,其中少数几个电镜实验室的硬件水平接近国外的先进实验室,但由于受经费、研究水平和力量所限,多数单位仅具备常规分析用的普通(即W或LaB6电子枪)透射电镜,仅有少数几个单位引进了场发射透射电镜并配有GIF和高角度环形暗场探测器,但至今我国还没有引进配置球差校正器或单色器的透射电子显微镜,与国外的先进水平相比仍存在一定的差距。
参考文献
[1] 黄伟其电子显微镜的发展贵阳医学院院报1987.
[2]李汝勤,宋钧才.纤维和纺织品的测试原理与仪器.上海:中国纺织大学出版社, 1995. 497~500
[3]金鹤鸣,姜新力,姚骏恩.中国电子显微分析仪器市场.见:分析仪器市场调查与分析.北京:海洋出版社,1998.第四章.p113—152.(待出版).
[4]姚骏恩.创造探索微观世界的有力工具(今年诺贝尔奖物理学奖获得者的贡献).中国科技报,1986-12-08(3).
[5] 王永礼,屠恒贤. 电子显微镜的发展以及在出土纺织品检测上的应用. 物理与工程,2005,3
[6] Horiuchi S,Matsui Y.电子显微镜(日),2000,35:1.
[7] 刘安生,邵贝羚.高压电子显微镜的发展. 电子显微学报. 2004.12.
[8] [12]苏正军,郑国光,关立友,等.含AgI人工冰核粒子的电镜分析[J].应用气象学报,2008,19(2):137-144.。