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顯微鏡技術的開發創新,加速了納米時代的進程 日期:2019.08.28
 

顯微鏡技術的開發創新,加速了納米時代的進程


劉玄慶    張康定    編寫


摘要:  本文簡述了國內外有關顯微鏡多年來的發展和近代先進的掃描探針顯微技術(SPM),包括掃描隧道顯微鏡(STM)及原子力顯微鏡(AFM)的技術理論及重點應用的介紹。


關鍵詞:顯微分辨率;庫侖堵塞效應;量子隧道效應;針尖技術;納米技術


Abstract:In this article we describe the development at many years age about the microcope in world and modern times advanced technic theory and emphasis application of Scanning Probe Microscopy(SPM),which include the Scanning tunneling microscope(STM)and Atomic Force Microscope(AFM) and so on.


一.            在“納米世紀”一書中將人類文明進程劃分為:


(一)模糊時代:指工業革命之前的時代


(二)毫米時代:指工業革命到20世紀初


(三)人類跨入微米時代:指20世紀的兩次科學技術革命


*次:20世紀40年代開始的原子——電子技術革命;


第二次:20世紀70年代以來發生的信息革命。


(四)迎接納米時代:指21世紀將會以納米技術為代表的新興科學技術給人類帶來第三次工業革命。


納米技術正不斷滲透到現代科學技術,如物理學、化學、電子學、材料學、生物學、醫學、機械學等等領域。必將迅速地改變物質產品的生產方式,提高產品的質量,擴寬它們的應用範圍,從而導致人類社會發展巨大變化。


應指出的是:在納米時代到來和納米時代中,納米電子學技術都將會起到zui關鍵的作用。例如20世紀80年代的1982年,IBM公司的賓尼(Gerd Binning)和羅雷爾(Heinrich Rohrer)成功研製出世界上*台新型的掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope,簡稱STM),使人類*次能夠直觀到物質表麵的單個原子及其排列狀態,並能夠研究相關的物理、化學、生物等的性能,作用極大,應用非常廣闊,涉及各行各業。為人類進入納米世紀,加快進程,做出了巨大的貢獻。STM的發明被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一,並由於這一傑出貢獻賓尼( Binning)和羅雷爾(Rohrer)獲得了1986年諾貝爾物理獎。


二.            從光學顯微鏡到電子顯微鏡的發展


觀察微小物體的曆史,是從放大鏡開始的,然後進入顯微鏡時代。當光學顯微鏡達到了分辨本領的極限時,為了達到滿足人們觀察微觀世界的渴望時,促成了電子顯微鏡的發明。


(一)。光學顯微鏡


光學顯微鏡的構思是:直接觀察物體放大後的像,以代替用放大鏡觀察物體本身。因此需要有兩塊透鏡組合起來。


*塊透鏡,產生物體的放大像,稱為物像;第二塊透鏡,采用與*塊同類型的放大鏡,去看*塊透鏡放大後的像,稱為目鏡。


光學顯微鏡的進步,正在於這二塊透鏡的組合。由於映入人眼的物體像是這二塊透鏡放大率之積,因而大幅度提高了放大能力。但如果想提高放大率,就需要增加透鏡的數目,那麽,將會遇到放大後像的畸變、彎曲、…….等稱為像差問題。完全消除像差辦不到,但依靠近代的技術水平有可能使像差保持到很小的值。例如,現代較好的光學顯微鏡可達到1000—1500倍。但這個放大率已是光學顯微鏡放大本領的極限。這個結論是埃貝、海侖霍爾茨等人在十九世紀中葉通過研究而獲得的。埃貝等從理論證明:光學顯微鏡分辨本領界限的因素是——光線的波長,因為光學顯微鏡是利用光線來看物體的,為了要看到物體,物體的尺寸必須大於光的波長,這就是光學顯微鏡所以會有極限的原因,也稱為光的衍射效應的影響,是無法克服的極限,這個極限在200毫微米左右。說明:


首先:人眼分辨本領大致為0.1毫米,即指兩點如分開0.1毫米左右,一般可清晰分辨。


有效放大率=人眼分辨本領值/顯微鏡分辨本領值


如果設顯微鏡分辨本領值為200毫微米(200×10-9


則有效放大率=0.1×10-3米/200×10-3×10-6米=500倍


通常把前麵定義的有效放大率再提高一至二倍,可使操作更清晰。如放大1000—1500倍,則分辨本領為0.1毫米的肉眼,觀察0.2—0.3毫米相距的微米粒子徑像會毫不吃力了。






(二)電子顯微鏡的誕生


1.發現電子束的波長遠比可見光短


埃貝的理論和實驗表明:利用波長愈短的波,分辨本領就越高,指導了人們的思維。


進入20年代後,法國科學家德布羅意發現電子流(電子束)也具有波動的性質。這種電子波的波長遠比光波的波長短,也比X射線的波長短。於是人們就想到能否用電子束來代替光波。即與現代電視機中陰極射線管(顯像管)發射出來的陰極射線相同的東西。經分析試驗,電子束的運動速度與電壓的平方根成正比,所以電子束的波長與電壓的平方根成反比。


例如:



  


       


可見光


7,600—3,900


紫外線


  3,900—130


 


電子束


電壓100伏


      1.23


電壓10,000伏


      0.122


電壓100,000伏


      0.0387


注:波長短正是電子顯微鏡得以打破光學顯微鏡分辨本領極限的關鍵所在。


2.發現電子束的波動特性隻與電子束的粒子性有,而與波動性無關。


   電子是帶有負電荷的粒子,而且電子的質量極小,幾乎不受引力的作用,運動僅受電子所處位置上的磁場和電場的強度支配而改變其前進道路。


   1926年,德國科學家蒲許指出:“具有軸對稱性的磁場對電子束說來起著透鏡的作用。”蒲許從理論上設想了可利用磁場作為電子透鏡。即當線圈中通以電流時,線圈周圍將形成磁場。從線圈中心軸上某一點發出的電子,在磁場中沿螺旋線軌跡前進,然後會聚在中心軸的其他一點上。這對於電子說來,磁場顯示出透鏡作用,又稱為“磁透鏡”。今日的電子顯微鏡中的磁透鏡,在線圈外麵包有熟鐵製的屏蔽外罩,線圈內側裝入經過高精度加工鈷鐵的小極靴,在小間隙(直徑3毫米)中局部形成具有軸對稱性的強磁場,就成了一具短焦距透鏡。假設從透鏡到光源距離為a,透鏡到像距離為b,則光學透鏡一般性公式:1/a+1/b=1/f(f—焦距),對於磁透鏡也是成立的。這也是蒲許zui初導出的。


3.電子束成像原理和電子顯微鏡的構造


(1)    電子束成像原理


①電子束是一種帶電的粒子流,空氣對於電子束也起著明顯的阻礙作用,為此必須使電子顯微鏡內部保持真空。②電子束的波長是隨加速電壓的波動而不斷變動的,因此,為保持電子束波長的單一性,必須使電子顯微鏡的電壓波動降低到十萬分之一以下。電壓的穩定程度,將是獲得高分辨本領映象的一個重要因素。③電子束的成像,即電子像中的被檢體的濃淡差(或稱反襯度)與光學像的反襯度(亮度差或色度差)有本質上的不同。在電子像中,不考慮吸收問題,因為電子顯微鏡用的電子束是單色的,與用單色光成像相仿,物質與電子束之間不產生色的反應。所以,在像中顯現出來的僅僅是濃淡而已。而電子濃淡的差別,是由於被檢物對電子產生“散射”而形成的,即入射電子與物質原子碰撞後產生散射,被檢物的不同部位對電子來說有不同的散射度,就形成了電子像的濃淡。物理學上可知,電子束的散射度是由物體的厚度與密度之積,以及加速電壓的大小來決定的。







(2)    電子顯微鏡的構造


電子顯微鏡本體構造,原理上與光學顯微鏡相似。由三組透鏡構成:即聚光鏡、物鏡和投影鏡(目鏡)組合而成。


聚光鏡——用來集聚攏電子束和調節電子束的程度。


  鏡——用來獲得被檢物的正確放大像,可說是顯微鏡的心髒。


投影鏡——起著把由物鏡放大的像進行再次放大的作用,由它造成觀察用或攝影用的zui終像。


另外,(ⅰ)今天的電子顯微鏡,多數都使用雙重聚光鏡。*鏡使電子束變得更為集中;第二鏡使電子束投射到樣品上。好處是在樣品表麵隻有直徑為幾個微米或更小的麵積上被電子束照射到,在10萬倍直接放大率下,即便電子束的能量很大,而樣品的溫度上升仍然很小,從而可以避免對樣品的損傷。


     (ⅱ)在物鏡和投射鏡之間還裝有一個透鏡:“中間鏡”。調節中間鏡的勵磁電流,放大率便可在很大範圍內(100倍到20萬倍之間連續地改變)。中間鏡的發明,使直接放大率的可變範圍擴展到2000倍的程度。它還可以作為電子衍射照相機,能獲得物體微小部分(例如僅僅在直徑1微米或更小範圍內)的顯微衍射像。這是因為它能用在顯微鏡外部調節的“視野限製光闌”調整光闌的大小,選出放大像的一部分。


所以在物鏡、投影鏡以外再配置中間鏡的所謂“三透鏡”係統電子顯微鏡 ,它不僅是一具電子顯微鏡,同時也是一具的電子衍射裝置。


其他尚需配置:


①鏡筒內部必須保持高度真空的真空泵;


②聚光鏡前裝置能發射電子束的電子槍;


③通常用5-10萬伏高壓電源和能使電子束的波長單一化的高壓電源穩定裝置;


④電子透鏡用的勵磁電源的穩定裝置;


⑤觀察用的熒光屏和裝有感光板的照相室;


⑥樣品室的單獨抽真空裝置;


⑦根據需要也可對樣品加裝冷卻裝置或加熱裝置。


         附圖:


         圖1.光學顯微鏡與電子顯微鏡的比較。


         圖2.電視電子顯微鏡示意圖。


4.電子顯微鏡的觀察極限


    按理論計算,電子顯微鏡分辨本領的極限在3埃左右。此值與2~3種金屬原子的大小處於同一數量級,這就意味著用電子顯微鏡有可能直接看到原子。


    市場上出售的電子顯微鏡,根據其分辨本領可分為:超高分辨本領級、高分辨本領級、普通分辨本領級三等。


    超高分辨本領級:達到原子水平的分辨本領,可把原子一個一個分別開觀察。


    高分辨本領級:隻能把數個原子組成的集團作為一個點來觀察。


普通分辨本領級:大於20埃的分辨本領。



 


超高分辨本領級


高分辨本領級


普通分辨本領級


分辨本領(埃)


<10(1nm)


10-20


20<


直接放大率


-200,000


-100,000


   -10,000


加速電壓(千伏)


100


80-100


50


聚光鏡


   雙聚光鏡


雙聚光鏡


   單聚光鏡


消像散裝置


   不可缺


    不可缺


   可缺


電源穩定度


   <10-5


10-4-10-5


<10-4


真空度(毫米汞柱)


10-5


10-4-10-5


-5×10-4


 


實驗室獲得電子顯微鏡分辨率本領理論極限值的意義:僅僅考慮電子束和透鏡係統而推算出來的。作為實驗室必須考慮到鏡體的振動,樣品漂移的穩定性,外部磁場的影響,樣品和透鏡光闌的“汙染”,合軸調整,消像散等許多因素。


5.電子顯微鏡的研製成功簡曆:1932年德國柏林工科大學高壓實驗室指導老師克諾爾與年輕的研究員魯斯卡(E.Ruska)以蒲許的理論基礎開始探索電子顯微鏡實現的可能性,用陰極射線示波器裝上了能起到透鏡作用的線圈,成功地得到了銅網的放大像——*次由電子束形成的電子像。當時加速電壓為7萬伏,zui初放大率僅12倍。盡管放大率微不足道,但它雄辯地用實驗證實了使用電子束和磁場透鏡可形成與光學像相同的電子像。從此,電子顯微鏡法便被正式確立了。


1933年科技工作者提出了用“極靴”來代替前述的長線圈,從而製成了短焦距電子透鏡,放大率自然得到了提高。把一個短焦距透鏡作為物鏡,另一個短焦距透鏡作為投影鏡,組合製成了二極放大的電子顯微鏡,魯斯卡在1933年獲得了金屬箔和纖維的1萬倍的放大像。此時,電子顯微鏡在放大率上已超過光學顯微鏡,但有決定意義的分辨本領,還隻剛剛達到光學顯微鏡水平。


1937年柏林工科大學的克勞塞和穆勒繼承了魯斯卡的工作,完成了超越光學顯微鏡性能的豐功偉業,對細菌和膠體成功地拍了照,獲得了250埃的分辨本領。


同年法國西門子公司從柏林工科大學邀來了魯斯卡,請他專門從事電子顯微鏡的研製工作。1939年西門子公司製造的分辨本領達到了30埃的世界上zui早的實用電子顯微鏡進入市場。


應該說,從光學顯微鏡的發展到電子顯微鏡的誕生,德國的埃貝(蔡司光學工廠的創立者,*個看出光學顯微鏡極限和在1878年對未來顯微鏡的信念和推想的人)以及德國的科技工作者作出了很大貢獻。

1951年,美國賓夕法尼亞大學Erwinw.Muller(穆勒)發明了一種具有高放大倍數,高分辨率的顯微鏡,它是在STM之前*種能夠在某些金屬表麵上觀察到單個原子的顯微鏡,稱為場離子顯微鏡(Field Ion Microscope——FIM)。這種技術利用氣體原子成像原理獲得樣品表麵上的原子圖像。通常,FIM設置在一個真空度為10-6Pa的高真空腔內,然後在真空腔內充入2×10-2Pa的成像氣體He(氦)。氣體He在帶有+10KV左右的正偏壓的針夾樣品的末端附近被強電場電離後,受到電場的加速,並沿著電場的方向飛行到陰極熒光屏上形成針尖末端原子的分布圖象。它是觀察電子源本身的像,完全不需要電子透鏡,所以是一種極為簡單的顯微鏡,僅僅由陰極與陽極(環狀)構成。能否拍攝出優良照片的關鍵在於陰極的是否銳利。它的放大率可通過簡單的算術運算求得。陽極的孔半徑除以陰極的曲率半徑,其商即放大率。例如,當陽極的孔半徑為100毫米,陰極的曲率半徑為10-4毫米時,它的放大率是100萬倍。後由於場離子顯微鏡的陰極當時創造過於麻煩,以及燈絲壽命太短的原因在電子顯微鏡中極少采用。但由於使用的燈絲可得到極細的電子束,樣品上的照射麵積縮小,對樣品的影響也相應減少,從而可獲得照片,給予人的啟發是可貴的。近年來,能夠直接觀察到針尖末端原子分布的場離子顯微鏡(FIM——Field Ion Microscope)成為分析STM針尖末端原子結構的重要工具
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