图8 扫描电镜下的花粉图片
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4.2 电镜的分类与特点
4.2.1 电子束与样品的相互作用
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高能电子束与固体物 质间的相互作用是一 个很复杂的过程，所 产生的各类电子信息 是电子显微镜进行成 像的重要依据。
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4.1.1 电镜照片举例
例2：“泰坦尼克号”铆钉断面形貌
（a）“泰坦尼克号”油轮 （b）铆钉断面的扫描电镜形貌
图2 “泰坦尼克号”油轮铆钉的断面分析
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4.1.1 电镜照片举例
例2：“泰坦尼克号”铆钉断面形貌
“泰坦尼克号” 油轮曾号称“永不沉没之船”， 然而， 在1912 年4月15日该船的首航过程即因为与冰山碰撞而永 沉北大西洋海底。有科学家通过扫描电镜发现，在该油轮 所用的铆钉断面处含有较高比例的有机成份，推测认为这 是导致铆钉在冰冷的海水中发脆，进而导致沉船事故发生 的原因。
电子束在磁场中聚焦示意图
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4.1.2 电镜的发展历史
（3）第一个电子图像的获得 1931年
德国学者Knoll和Ruska 首次获得了放大12倍铜网 的电子图像。证明可用电 子束和磁透镜进行成像。
图5 Hale Waihona Puke 鲁斯卡拍摄的放大12倍铜网电子图像
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4.1.2 电镜的发展历史
（4）第一台透射电镜的诞生 1931-1934年
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4.1.1 电镜照片举例
由以上四个通俗的例子可以发现，扫描电镜和透射电镜 作为两类最基本的电子显微镜技术，已经渗透于人类生活的 各个领域，是人类探索微观世界的有力工具之一。在此，首 先有必要对电镜的发展历史与现状作一初步的了解。
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4.1.2 电镜的发展历史
（1）波粒二相性理论的提出 1924年
Oatley and McMullan
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4.1.2 电镜的发展历史
（7） 扫描电镜的发展历程
1965年剑桥大学推出第一台商品扫描电镜。目前其发展方 向是场发射型高分辨扫描电镜和环境扫描电镜。
图7 场发射扫描电镜（左）和环境扫描电镜（右）
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4.1.2 电镜的发展历史
（7） 扫描电镜的发展历程
目前扫描电镜的最高分辨 率可达1-2nm， 最好的高 分辨环境扫描电镜可在气 压为4000Pa下仍保持 2nm 的高分辨率水平。
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4.1.2 电镜的发展历史
（6） 现代透射电镜的发展水平
目前世界上生产透射电镜的厂家主要有：日本电子、日立 和美国菲利普公司。所产的透射电镜可粗略分为：
常规透射电镜：加速电压 100-200 kV; 中压透射电镜：加速电压 300-400 kV； 高压透射电镜：加速电压 1000 kV。
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4.1.2 电镜的发展历史
目录
4.1 电镜的发展历史及现状 4.2 电镜的分类与特点 4.3 扫描电镜的基本原理 4.4 扫描电镜的结构与性能 4.5 扫描电镜实验技术 4.6 扫描电镜的基本应用
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4.1 电镜的发展历史及现状
4.1.1 电镜照片举例
电子显微镜通常可分为扫描电子显微镜和透射电子显 微镜两类，是材料微观分析的重要工具之一，被广泛应用 于材料、化工、医学、生物等各个领域。例如 • • •
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4.1.1 电镜照片举例
例1：恐龙蛋化石的表面分析
（a) 恐龙蛋数码图片 (b）恐龙蛋扫描电镜图片
图1 恐龙蛋壳的微观形貌
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4.1.1 电镜照片举例
例1：恐龙蛋化石的表面分析
2008 年，江西赣州发现 15 枚罕见恐龙蛋化石。在肉眼 下，恐龙蛋壳表面光滑，但在扫描电镜下， 其表面却并不 光滑，而是呈凹凸不平状。
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4.1.1 电镜照片举例
例3 ：“非典”病毒
（a）非典型病毒示意图 （b）非典型病毒的透射电镜图
图3 非典型病毒的透射电镜图片
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4.1.1 电镜照片举例
例3 ：“非典”病毒
2003年春流行的非典型肺炎由 Sars病毒引起，属管状病 毒。在透射电镜下，“非典”病毒呈不规则形状，直径约 60-220 nm。病毒粒子外包着脂肪膜，膜表面有三种糖蛋白： 刺突糖蛋白、小包膜糖蛋白、膜糖蛋白。
德国学者鲁斯卡等研制成 功世界上第一台透射电子 显微镜，至1934年其分辨 率达到了500 埃。鲁斯卡 因为在电镜光学基础研究 及以上贡献获得了1986年 诺贝尔物理奖。
德国学者鲁斯卡（E. Ruska) 14
4.1.2 电镜的发展历史
（5）第一台商品透射电镜的问世 1939年
德国西门子公司总部
西门子公司于1939年研 制成功世界上第一台商品 透射电镜，分辨率优于 100埃；1954年进一步研 制成功Elmiskop I型透射 电镜 ，分辨率优于10埃。
（6）现代透射电镜的发展水平
随着20世纪90年代纳米 科技的发展，有力推动了 透射电镜的进一步发展， 目前透射电镜晶格分辨率 最高达0.1nm，放大倍率 150万倍。
图6 加速电压可达2000 kv的超高压透射电镜
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4.1.2 电镜的发展历史
（7） 扫描电镜的发展历程
在透射电镜的基础上, 1935 年德国学者诺尔首次提出了 扫描电镜的概念，1952年 剑桥大学Oatley等制作了 第一台扫描电镜。
法国物理学家德布罗意指 出：一切接近于光速运动 的粒子均具有波的性质。 人们由此联想是否可利用 波长更短的电子波代替可 见光成像？
路易• 德布罗意 （1892-1989） 法国物理学家 11
4.1.2 电镜的发展历史
（2）磁透镜聚焦理论的提出 1926年
德国学者 H. Busch 提出 了运动电子在磁场中的运 动理论。他指出：具有轴 对称的磁场对电子束具有 聚焦作用。这为电子显微 镜的发明提供了重要的理 论依据。
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4.1.1 电镜照片举例
例4 ：单晶硅与多晶硅
（a）单晶硅
（b）多晶硅
图4 单晶硅与多晶硅的高倍率透射电镜形貌
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4.1.1 电镜照片举例
例4 ：单晶硅与多晶硅
硅是集成电路产业的基础，半导体硅工业产品包括单晶硅、 多晶硅、外延片和非晶硅等，其中单晶硅具有完整的点阵晶 体结构，不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材 料，其纯度要求达到 99.9999% 以上才能满足各类应用要 求。利用高分辨率透射电镜可以监测单晶硅是否具有完善的 晶体结构。