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北京化工大学专业实践

电子显微技术的发展

电子显微镜，简称电镜，经过几十年的发展已成为现代科学技术中不可缺少

的重要工具，尤其在表面形貌分析方面有重要应用。常见的电子显微技术有透射

式电子显微镜(TEM)，扫描电子显微镜(SEM)，扫描隧道显微镜(STM)，环境扫

描电子显微镜（ESEM），原子力显微镜（AMF），以及光扫描隧道显微镜（PSTM），

近场扫描光学显微术（NSOM），弹道式电子发射显微术（BEEM），扫描片化学

显微术（SECM）等。

1.透射式电子显微镜(TEM)

1897年布劳恩发明了阴极射线管,尽管结构简单,但已是现代电子束管的雏

形。同年汤姆孙测定了电子的荷质比,指出以前发现的阴极射线也是一种物质粒

子流(现称电子流)。1926年布许发表了有关磁聚焦的论文,因此可以利用电子来

成像(与光学透镜成像极为相似)。这样,就为发明电子显微镜作好了技术上和理

论上的准备。

恩·鲁斯卡,1906年12月25日出生于德国的海德堡,1929年从事电子透镜

的实验研究。1931年4～6月鲁斯卡和克诺尔采用二级磁透镜放大,获得了光阑

孔的16倍放大像,制成了世人公认的第一台电子显微镜的最初雏型。当时得到的

分辨率为40nm,获得了比光学显微镜清楚得多的大肠杆菌的电子像,这一成就在

显微学史上是一项重大的突破。1931—1932年鲁斯卡在德国《物理学进展》杂

志上发表了以“几何电子光学的进展”为题的论文,第一次使用了电子显微镜的

名称。1932年成为了发明电子显微镜的年份。

据理论计算,电子在100kV的加速电压下运动时,其波长仅为0.0037nm,竟

比可见光波长小5个量级。即使考虑到各种技术上的困难,电子显微镜的分辨本

领也会比光学显微镜高得多。

1933年鲁斯卡用短磁透镜,在75kV下获得了12000倍的放大率。1937年

鲁斯卡等开始研制商品电子显微镜。1938年得到了放大30000倍的照片,点分辨

本领为13nm,比光学显微镜高了20倍。西门子公司1939年推出了世界上第一

台商品电子显微镜,1949年又推出了分辨本领达10nm的UM-100型电子显微

镜,1954年又推出了当时最先进的新一代高分辨ElmiskopⅠ型电子显微镜。其

主要指标为:分辨本领1.0—1.5nm,加速电压100kV,放大倍数16万倍。

到了80年代,电子显微镜不论实际达到的分辨率还是应用性能都有很大进

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展。现代加速电压为1250kV的超高压、超高分辨电子显微镜,分辨本领已达0.

1nm,放大倍数在150万倍以上。电子显微镜的问世成为显微镜发展史上的第二

个里程碑。

2.扫描电子显微镜(SEM)

当聚焦得很细的电子束在试样表面扫描时,用探测器收集相关信息,逐点逐行

地在显像管上显示出来,用这种原理制成的电子显微镜称为扫描电子显微镜。

马·克诺尔等在1935年制成了让电子束在材料表面扫描的仪器,把这个装置

作为电子显微镜则是偶然的。受电子束直径所限,当时的分辨率只有100微米左

右。

第一台真正的扫描电镜是冯·阿登纳在1937年制成的。电子束直径聚焦、

缩小到0.01微米、探针电流只有1012A的量级。这台仪器原理虽然正确,但由

于调试困难、记录时间长、分辨本领低,而以失败告终。

现代扫描电镜的设计制造应归功于英国剑桥大学工程系的奥特莱及其研究

小组。1958年剑桥大学向该研究所提供了一台新的扫描电镜。1965年英国剑桥

仪器公司生产出了商品Sterecoscan。从此开创了扫描电镜的新纪元。

SEM的分辨本领虽没有TEM那么高,但试样制备简单、焦深长、视场大,可

直接观察很大很厚的实物试样,而且还能让它作上下、前后、左右、倾斜和旋转

运动,从各个角度来仔细观察。SEM