電鏡研究生課程論文

研究生課程論文（2010至2011學(xué)年度第1學(xué)期）課程名稱：電鏡技術(shù)課程編號(hào)：11.504學(xué)生姓名：孫玲學(xué)號(hào)：902102年級(jí)：資環(huán)22班提交日期：2010年12月29日成績(jī)：__________________教師簽字：__________________開(kāi)課---結(jié)課：第1周---第18周評(píng)閱日期：年月日一、電鏡技術(shù)發(fā)展史自從光學(xué)顯微鏡出現(xiàn)以后，人類打開(kāi)了微觀世界的大門(mén)，看到了很多用肉眼所看不到的微小物體，例如細(xì)胞、細(xì)菌等，使人眼睛的分辨力由0.2mm提高到0.2μm。但是，光學(xué)顯微鏡由于光線波長(zhǎng)的限制，它的分辨極限是0.2μm，有效放大倍數(shù)最高不超過(guò)2000倍，如果想要看到更小的物體，它就無(wú)能為力了。

從20世紀(jì)30年代開(kāi)始，人們利用工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，成功地研制了電子顯微鏡，它的出現(xiàn)，使人們能在超微結(jié)構(gòu)或原子的尺度上觀察研究物體的結(jié)構(gòu)，人們的觀察從宏觀世界進(jìn)入了超微結(jié)構(gòu)或原子級(jí)的微觀世界。與許多偉大的發(fā)明一樣，電子顯微鏡的發(fā)明，也經(jīng)歷了那個(gè)時(shí)代艱苦的歷程。在光學(xué)顯微鏡發(fā)明長(zhǎng)達(dá)300年的時(shí)間里，由于光波波長(zhǎng)的限制，直接限制了光學(xué)顯微鏡的分辨能力，始終難以突破1000倍的放大倍數(shù)。尋找更短波長(zhǎng)的光源成為了科學(xué)家們嘔心瀝血的漫長(zhǎng)征程。

1924年，法國(guó)物理學(xué)家Broglie提出了“電子與光一樣，具有波動(dòng)性“的假說(shuō)，他證明了任何一種粒子在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，必定都伴有電磁輻射，輻射的電磁波長(zhǎng)與粒子的運(yùn)動(dòng)速度成反比，并計(jì)算出電磁波長(zhǎng)為0.005nm。

1926年，德國(guó)科學(xué)家Busch發(fā)現(xiàn)了帶電粒子在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)聚焦的現(xiàn)象，類似于光線通過(guò)透鏡可被聚焦一樣。由此奠定了電子顯微鏡的理論基礎(chǔ)。

1928—1931年間，德國(guó)年輕的大學(xué)生Ruska測(cè)量了磁透鏡的聚焦特性，并開(kāi)展了電子放大成像的研究，終于在1938年成功研制了世界上第一臺(tái)真正的電子顯微鏡，放大倍數(shù)為1200倍，被譽(yù)為電子顯微鏡之父,并在1986年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。電子顯微鏡的發(fā)明被譽(yù)為20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。

1939年，德國(guó)Siemens公司生產(chǎn)了第一臺(tái)作為商品用的透射電鏡，分辨率為10nm左右。但其體積龐大，無(wú)法進(jìn)一步推廣。

20世紀(jì)50年代初到60年代末期，電鏡發(fā)展很快，從性能到構(gòu)造都得到很大的改進(jìn)，特別是分辨本領(lǐng)得到大幅度提高，達(dá)到1nm左右，到80年代的分辨率已接近0.1nm，最新研制的超高壓透射電鏡的分辨率可達(dá)0.005nm。

自從1938年第一臺(tái)電鏡在德國(guó)問(wèn)世以來(lái)，在短短的幾十年時(shí)間里，電鏡技術(shù)取得了飛躍的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)、地質(zhì)學(xué)、考古學(xué)、天文學(xué)等許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)、分子生物學(xué)、基因組學(xué)等學(xué)科的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了更適合生物醫(yī)學(xué)研究的新型電鏡。

在生命科學(xué)方面，電鏡的應(yīng)用為闡明組織細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能起了巨大的作用，已成為醫(yī)學(xué)科學(xué)研究和臨床疾病診斷的重要工具。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電鏡樣品制備技術(shù)也得到飛速發(fā)展。在透射電鏡超薄切片基礎(chǔ)上，又相繼出現(xiàn)負(fù)染色技術(shù)、電鏡放射自顯影技術(shù)、免疫和細(xì)胞化學(xué)技術(shù)、電鏡核酸原位雜交技術(shù)等；在掃描電鏡常規(guī)技術(shù)基礎(chǔ)上，也出現(xiàn)了冷凍割斷技術(shù)、蝕刻復(fù)型技術(shù)、管道鑄型技術(shù)、電子探針技術(shù)等。在透射電鏡原有的基礎(chǔ)上安裝各種測(cè)試儀器如能譜儀（EDX）、波譜儀（WDX）等，出現(xiàn)了各種分析型透射電鏡；還有加速電壓在200kV以上的高壓電子顯微鏡以及加速電壓在500Kv以上的超高壓電子顯微鏡；由于壓電傳感器的發(fā)明，使得機(jī)械探針的定位性增強(qiáng)，出現(xiàn)了掃描探針顯微鏡系列（包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、激光掃描共聚焦顯微鏡、掃描光子顯微鏡、掃描熱顯微鏡、靜電力顯微鏡等十幾種類型），其中在生命科學(xué)中應(yīng)用較多的是掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和激光掃描共聚焦顯微鏡。二、掃描透射電鏡樣品制備技術(shù)1)掃描電鏡樣品的制備掃描電鏡(SEM)具有分辨率高和景深長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此圖像層次豐富，立體感強(qiáng)，能夠顯示細(xì)胞和組織的三維結(jié)構(gòu)形貌(圖12-13)，因此廣泛應(yīng)用于生物樣品表面及其斷面微細(xì)結(jié)構(gòu)的觀察。自1966年第一臺(tái)商品SEM誕生以來(lái)，發(fā)展一直很快，儀器本身性能如分辨率和多功能等不斷提高外，樣品制備技術(shù)也不斷地改進(jìn)和完善。樣品制備的質(zhì)量是直接決定SEM能否發(fā)揮最佳性能，并拍出理想圖片的關(guān)鍵所在。考慮到生物樣品質(zhì)地柔軟、容易變形、導(dǎo)電性差、二次電子發(fā)射率低以及含水量多等特點(diǎn)，在制備SEM樣品時(shí)，必須掌握以下原則：(1)每一操作過(guò)程，都應(yīng)注意防止樣品的污染和損傷，使被觀察的樣品盡可能保持原有的外貌和微細(xì)結(jié)構(gòu)；(2)去除樣品內(nèi)水份，以利于維持SEM的真空度和防止鏡筒的污染。但在脫水和干燥處理時(shí)，要盡量減少避免樣品體積變小和收縮變形等人工損傷；(3)降低樣品表面的電阻率，增加樣品的導(dǎo)電性能，以提高二次電子發(fā)射率，建立適度的反差和減少樣品的充放電效應(yīng)；(4)觀察組織細(xì)胞的表面或內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意和保護(hù)樣品的觀察面。SEM樣品的制備過(guò)程如下：①取材根據(jù)需要，切取適當(dāng)大小的樣品。專門(mén)的SEM備有靈活可動(dòng)，范圍較大的樣品臺(tái)，樣品可大些。裝在透射電鏡上的掃描附件，活動(dòng)范圍較小，樣品直徑應(yīng)在3～4mm左右。②漂洗用緩沖液把組織表面洗凈，否則會(huì)影響正常形態(tài)，但以快速和輕巧為宜，盡量保護(hù)器官或組織的表面結(jié)構(gòu)，使其不致因不慎的操作造成人為損傷。③固定用25～5％戊二醛固定30分鐘或更長(zhǎng)時(shí)間。Boyde建議用戊二醛固定幾天到幾個(gè)月，這樣會(huì)增加組織的韌性，減少脫水造成的萎縮。④漂洗用緩沖液洗3次，洗去未結(jié)合的戊二醛。⑤重固定1％鋨酸固定1～2小時(shí)。⑥漂洗用緩沖液洗去未結(jié)合的鋨酸。⑦脫水用30％、50％、70％、80％、90％、95％、100％、100％丙酮或乙醇溶液各10分鐘，大于1mm的樣品可脫水10～20分鐘。⑧干燥一般情況下，可把脫水后的樣品放在空氣中自然干燥或45℃熱風(fēng)吹干。有些研究工作要求盡量完好保存樣品表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)，可用真空干燥法、冷凍干燥法和臨界點(diǎn)干燥法等使樣品干燥。這些方法都比空氣干燥法效果好，其中臨界點(diǎn)干燥法優(yōu)點(diǎn)多，多被研究工作者采用。a.臨界點(diǎn)干燥法原理：在干燥過(guò)程中，表面張力會(huì)使樣品變形。因此，為了保持樣品的完好形態(tài)，必須消除表面張力造成的影響。我們知道，液體表面張力隨其溫度的升高而急驟變小。對(duì)于每一種液體，都有一個(gè)表面張力為零的溫度，這個(gè)溫度叫臨界溫度。與臨界溫度對(duì)應(yīng)的壓力叫臨界壓力，在臨界溫度和臨界壓力下使樣品干燥的方法叫臨界點(diǎn)干燥法?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外都有商品臨界點(diǎn)干燥器。照理，含水樣品可以直接進(jìn)行臨界點(diǎn)干燥?？墒牵捎谒呐R界溫度高達(dá)374℃，臨界壓力高達(dá)247×10６Pa(218個(gè)大氣壓)，這樣高的溫度和壓力不僅會(huì)破壞樣品的形態(tài)構(gòu)造，而且需要耐壓很高的儀器。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法就是選擇臨界溫度接近室溫，臨界壓力接近大氣壓的液體取代樣品中的水，然后對(duì)這種液體進(jìn)行臨界點(diǎn)干燥，使樣品達(dá)到干燥的目的。這種液體叫做轉(zhuǎn)移液。對(duì)轉(zhuǎn)移液的要求，除要求其適當(dāng)?shù)呐R界溫度和臨界壓力外，還應(yīng)考慮其毒性、密度、成本和溶劑性質(zhì)等，一般常用液體CO2。b.臨界點(diǎn)干燥法的過(guò)程：脫水前的處理同空氣干燥法。中間液替換：因?yàn)闃悠芬獜拿撍畡?丙酮或乙醇)經(jīng)中間液過(guò)渡到轉(zhuǎn)移液。因此，中間液既要和脫水劑互溶，又要和轉(zhuǎn)移液互溶。具體步驟是：脫水后的樣品在70％乙醇(或丙酮)與30％醋酸異戊酯混合液中浸10～20分鐘，然后再在30％乙醇(或丙酮)與70％醋酸異戊酯混合液中浸10～20分鐘，而后用100％中間液(醋酸異戊酯)浸兩次，每次各10～20分鐘。轉(zhuǎn)移液替換：用CO2作轉(zhuǎn)移液替換中間液的過(guò)程，是在封閉的耐壓室內(nèi)進(jìn)行的。用酒精或丙酮清洗臨界點(diǎn)干燥器的進(jìn)氣管道和耐壓室，吹干后，反復(fù)1～2次放入和排出液體CO2，然后在耐壓室底部放數(shù)層濾紙，并將裝有樣品的樣品架放入。擰緊耐壓室蓋，慢慢放入液體CO2。然后稍開(kāi)排氣閥，以5L/min的流量排出耐壓室原來(lái)的氣體，此時(shí)可聞到醋酸異戊酯味，待醋酸異戊酯味消失后，關(guān)閉排氣閥。此時(shí)通過(guò)觀察窗觀察室內(nèi)液體CO2應(yīng)浸沒(méi)樣品(如果不能浸沒(méi)樣品，說(shuō)明耐壓室溫度高，應(yīng)降溫后再行操作)，關(guān)閉進(jìn)氣閥，停放約1～2小時(shí)以完成CO2的置換過(guò)程。此時(shí)壓力約為56×１０6～64×１０6Pa(57～65Kgf/cm2)。加熱：用60℃溫水或自動(dòng)調(diào)溫裝置將耐壓室加溫，壓力很快增加，使壓力維持在11×１０７Pa(110Kgf/cm2)左右。5～10分鐘，CO2全部汽化，從觀察窗可看到其汽化過(guò)程是：液面上升→界面模糊→完全混濁→透亮無(wú)液體。這時(shí)的壓力約為93×１０6Pa(95Kgf/cm2)。排氣：在排氣管口放一溫水杯，這樣既可觀察排出的氣泡數(shù)以控制排氣速度，又可避免排氣管路產(chǎn)生干冰而造成堵塞。慢慢打開(kāi)排氣閥，使壓力緩慢下降，并維持耐壓室溫度在50℃左右。排氣速度不可太快，否則會(huì)損傷樣品，一般控制在10泡/秒左右［約每分鐘49×１０5～98×１０5Pa(5～10Kgf/cm2)的降壓速度］。大約經(jīng)一個(gè)多小時(shí)的排氣后，壓力表指示為“零”，排氣口無(wú)氣泡時(shí)，即可打開(kāi)耐壓室，取出已干燥好的樣品。(5)導(dǎo)電：大多數(shù)生物樣品的表面電阻很高，直接用掃描電鏡觀察會(huì)產(chǎn)生充放電效應(yīng)，所以要對(duì)樣品進(jìn)行導(dǎo)電處理。常用的導(dǎo)電處理方法有金屬噴鍍法和導(dǎo)電染色法。金屬噴鍍法是將干燥后的樣品用導(dǎo)電膠粘在樣品臺(tái)上，放入真空噴鍍儀內(nèi)旋轉(zhuǎn)噴約15nm厚的碳和金，隨后進(jìn)行電鏡觀察。這種方法除可消除充放電效應(yīng)外，還可提高二次電子發(fā)射率。缺點(diǎn)是熱輻射和原子轟擊會(huì)使樣品變形。導(dǎo)電染色法是用金屬鹽類化合物與生物體的蛋白質(zhì)、脂類、糖類等結(jié)合，使表面離子化，或游離出金屬分子鑲嵌于生物分子間，從而使樣品表面電阻值降低，消除充電放電效應(yīng)，同時(shí)在一定程度上起硬化組織的固定作用。渡部忠雄等提出下面一種方法：

[ZB(][BHDWG2,WK7W]固

定[BHG18][GP]常規(guī)方法↓丙酮脫水

↓↓

臨界點(diǎn)干燥

↓

噴

鍍

→

←

→觀

察

→觀

察

A

液

↓

水

洗

↓

B

液

↓

水

洗

↓

C

液

↓

水

洗

導(dǎo)電染色法

注：A液：2%蔗糖，2%谷氨酸鈉，2%甘氨酸；B液：2%鞣酸；C液：2%鋨酸在固定后脫水前用A液、B液和C液進(jìn)行導(dǎo)電處理，使戊二醛固定后殘存在樣品組織內(nèi)的醛基和氨基酸結(jié)合，再用鞣酸與樣品組織中的蛋白質(zhì)、糖和氫結(jié)合，同時(shí)鞣酸還會(huì)和浸入樣品組織內(nèi)的氨基酸和糖結(jié)合，水洗除去多余鞣酸后，再使鋨酸與樣品組織內(nèi)的鞣酸螯合，這些金屬螯合物具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。另外，亦可把脫水后的樣品浸在下述任何一種導(dǎo)電液中數(shù)十小時(shí)后,漂洗去掉導(dǎo)電液，用導(dǎo)電膠粘在樣品臺(tái)上后電鏡觀察。幾種導(dǎo)電液配方如下：a.碘化鉀2g＋碘02g＋重餾水100ml＋25％戊二醛10ml＋葡萄糖02g。b.15～3％硝酸銀溶液(01mol/L磷酸緩沖液配制)，避光短期保存。c.溶于70％乙醇的2％醋酸鈾溶液，避光短期保存。e.檸檬酸鈉4g＋醋酸鉛12g＋重餾水100ml，濾過(guò)后短期保存，用時(shí)加水3倍稀釋。f.5％高錳酸鉀(01mol/L磷酸緩沖液配制)或2～3％重鉻酸鉀(稍加蔗糖)。

圖12-13牛流行熱病毒感染BHK21細(xì)胞的掃描電鏡圖像。在被感染的細(xì)胞表面有許多病毒粒子附著或“出芽”(箭頭)，比例尺為100nm2)透射電鏡樣品的制備大致工藝流程：將所測(cè)樣品在金剛砂紙上磨薄，然后用AB膠粘在銅環(huán)上，將粘好的樣品放入離子減薄機(jī)中進(jìn)行離子減薄至樣品被打穿，并出現(xiàn)薄區(qū)為止1、對(duì)于平面樣品，將所測(cè)樣品切成正方形（邊長(zhǎng)略大于所用銅環(huán)的直徑3mm）的；對(duì)于截面樣品，將所測(cè)樣品切成兩個(gè)長(zhǎng)方形（長(zhǎng)度要大于所用銅環(huán)的直徑），將兩個(gè)長(zhǎng)方形試樣正面用AB膠對(duì)粘，并放入夾具中將其夾緊，加熱10min后再放置24小時(shí)。2、將按上述方法準(zhǔn)備的樣品用松香粘到鐵塊上，在金剛砂紙上將樣品磨薄。平面樣品將其正面與鐵塊對(duì)粘。對(duì)于截面樣品，先將一側(cè)截面與鐵塊對(duì)粘，當(dāng)另一側(cè)截面被磨成平面的時(shí)候?qū)悠窂蔫F塊上取下，然后將被磨平的那一側(cè)截面再與鐵塊對(duì)粘，繼續(xù)將樣品磨薄。樣品厚度要磨薄至50m以下。3、將銅環(huán)用AB膠粘在磨好的樣品上。將樣品連同銅環(huán)取下，放入丙酮中浸泡20min，去除樣品上殘留的松香。4、將粘有銅環(huán)的樣品放置于離子減薄機(jī)的樣品架上，按離子減薄機(jī)操作流程將樣品進(jìn)行離子減薄。平面樣品只對(duì)樣品背面進(jìn)行離子轟擊，截面樣品可以從兩個(gè)方向?qū)悠冯x子轟擊。減薄完畢在光學(xué)顯微鏡下觀察是否存在薄區(qū)，然后將樣品取下裝入專用的樣品盒中待測(cè)注意事項(xiàng)：１．在金剛砂紙上磨制樣品的時(shí)候應(yīng)盡量將樣品磨薄，這樣可以減少離子減薄的時(shí)間。將樣品磨至其邊角變鈍為宜，磨好的樣品用手指觸摸應(yīng)幾乎感覺(jué)不到樣品的存在。但也不能過(guò)薄，過(guò)薄會(huì)導(dǎo)致樣品的解理。磨得很薄時(shí)要注意隨時(shí)查看樣品情況，不然很容易將樣品磨碎。２．截面樣品制備過(guò)程中，兩片樣品對(duì)粘時(shí)，膠要涂勻并盡可能地薄。將樣品放在夾具上夾的力度要適中，在不將樣品夾碎的情況下盡量使用較大力度，這樣可以把多余的膠水從樣品的縫隙中擠出。磨好的樣品，應(yīng)幾乎用肉眼看不到樣品中間的縫隙，這樣在離子減薄的過(guò)程中更好地保護(hù)樣品表面，才能看到完整的截面信息３．對(duì)于容易氧化的樣品要在臨近測(cè)試時(shí)制樣，不能治好樣后放置太長(zhǎng)時(shí)間再進(jìn)行測(cè)試，不然很容易失去樣品原本的信息三、電鏡下的植物圖片植物細(xì)胞（電鏡）下分裂末期四、電子顯微鏡的現(xiàn)狀及展望電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱電鏡,EM)經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的重要工具。我國(guó)的電子顯微學(xué)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展[1]。電子顯微鏡的創(chuàng)制者魯斯卡(E.Ruska)教授因而獲得了1986年諾貝爾獎(jiǎng)的物理獎(jiǎng)[2]。電子與物質(zhì)相互作用會(huì)產(chǎn)生透射電子,彈性散射電子,能量損失電子,二次電子,背反射電子,吸收電子,X射線,俄歇電子,陰極發(fā)光和電動(dòng)力等等。電子顯微鏡就是利用這些信息來(lái)對(duì)試樣進(jìn)行形貌觀察、成分分析和結(jié)構(gòu)測(cè)定的。電子顯微鏡有很多類型,主要有透射電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱透射電鏡,TEM)和掃描電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱掃描電鏡,SEM)兩大類。掃描透射電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱掃描透射電鏡,STEM)則兼有兩者的性能。為了進(jìn)一步表征儀器的特點(diǎn),有以加速電壓區(qū)分的,如:超高壓(1MV)和中等電壓(200—500kV)透射電鏡、低電壓(~1kV)掃描電鏡;有以電子槍類型區(qū)分的,如場(chǎng)發(fā)射槍電鏡;有以用途區(qū)分的,如高分辨電鏡,分析電鏡、能量選擇電鏡、生物電鏡、環(huán)境電鏡、原位電鏡、測(cè)長(zhǎng)CD-掃描電鏡;有以激發(fā)的信息命名的,如電子探針X射線微區(qū)分析儀(簡(jiǎn)稱電子探針,EPMA)等。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)電子顯微學(xué)的奮斗目標(biāo)主要是力求觀察更微小的物體結(jié)構(gòu)、更細(xì)小的實(shí)體、甚至單個(gè)原子,并獲得有關(guān)試樣的更多的信息,如標(biāo)征非晶和微晶,成分分布,晶粒形狀和尺寸,晶體的相、晶體的取向、晶界和晶體缺陷等特征,以便對(duì)材料的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析及標(biāo)征研究[3]。近來(lái),電子顯微鏡(電子顯微學(xué)),包括掃描隧道顯微鏡等,又有了長(zhǎng)足的發(fā)展。本文僅討論使用廣泛的透射電鏡和掃描電鏡,并就上列幾個(gè)方面作一簡(jiǎn)要介紹。部分透射電鏡和掃描電鏡的主要性能可參閱文獻(xiàn)[1]。透射電子顯微鏡1、高分辨電子顯微學(xué)及原子像的觀察材料的宏觀性能往往與其本身的成分、結(jié)構(gòu)以及晶體缺陷中原子的位置等密切相關(guān)。觀察試樣中單個(gè)原子像是科學(xué)界長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。一個(gè)原子的直徑約為1千萬(wàn)分之2—3mm。因此,要分辨出每個(gè)原子的位置需要0.1nm左右的分辨本領(lǐng),并把它放大約1千萬(wàn)倍。70年代初形成的高分767電子顯微學(xué)報(bào)J.Chin.Electr.Microsc.Soc.17(6)¨767~7761998年子顯微學(xué)(HREM)是在原子尺度上直接觀察分析物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的學(xué)科。計(jì)算機(jī)圖像處理的引入使其進(jìn)一步向超高分辨率和定量化方向發(fā)展,同時(shí)也開(kāi)辟了一些嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域。例如,英國(guó)醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)分子生物實(shí)驗(yàn)室的A.Klug博士等發(fā)展了一套重構(gòu)物體三維結(jié)構(gòu)的高分辨圖像處理技術(shù),為分子生物學(xué)開(kāi)拓了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。因而獲得了1982年諾貝爾獎(jiǎng)的化學(xué)獎(jiǎng),以表彰他在發(fā)展晶體電子顯微學(xué)及核酸—蛋白質(zhì)復(fù)合體的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)方面的卓越貢獻(xiàn)[4]。用HREM使單個(gè)原子成像的一個(gè)嚴(yán)重困難是信號(hào)/噪聲比太小。電子經(jīng)過(guò)試樣后,對(duì)成像有貢獻(xiàn)的彈性散射電子(不損失能量、只改變運(yùn)動(dòng)方向)所占的百分比太低,而非彈性散射電子(既損失能量又改變運(yùn)動(dòng)方向)不相干,對(duì)成像無(wú)貢獻(xiàn)且形成亮的背底(亮場(chǎng)),因而非周期結(jié)構(gòu)試樣中的單個(gè)原子像的反差極小。在檔去了未散射的直透電子的暗場(chǎng)像中,由于提高了反差,才能觀察到其中的重原子,例如鈾和釷—BTCA中的鈾(Z=92)和釷(Z=90)原子[5]。對(duì)于晶體試樣,原子陣列會(huì)加強(qiáng)成像信息。采用超高壓電子顯微鏡和中等加速電壓的高亮度、高相干度的場(chǎng)發(fā)射電子槍透射電鏡在特定的離焦條件(Scherzer欠焦)下拍攝的薄晶體高分辨像可以獲得直接與晶體原子結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)像。再用圖像處理技術(shù),例如電子晶體學(xué)處理方法,已能從一張200kV的JEM-2010F場(chǎng)發(fā)射電鏡(點(diǎn)分辨本領(lǐng)0.194nm)拍攝的分辨率約0.2nm的照片上獲取超高分辨率結(jié)構(gòu)信息,成功地測(cè)定出分辨率約0.1nm的晶體結(jié)構(gòu)[6]。2.像差校正電子顯微鏡電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)由于受到電子透鏡球差的限制,人們力圖像光學(xué)透鏡那樣來(lái)減少或消除球差。但是,早在1936年Scherzer就指出,對(duì)于常用的無(wú)空間電荷且不隨時(shí)間變化的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱電子透鏡,球差恒為正值。在40年代由于兼顧電子物鏡的衍射和球差,電子顯微鏡的理論分辨本領(lǐng)約為0.5nm。校正電子透鏡的主要像差是人們長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)50多年的努力,1990年Rose提出用六極校正器校正透鏡像差得到無(wú)像差電子光學(xué)系統(tǒng)的方法。最近在CM200ST場(chǎng)發(fā)射槍200kV透射電鏡上增加了這種六極校正器,研制成世界上第一臺(tái)像差校正電子顯微鏡。電鏡的高度僅提高了24cm,而并不影響其它性能。分辨本領(lǐng)由0.24nm提高到0.14nm[7]。在這臺(tái)像差校正電子顯微鏡上球差系數(shù)減少至0.05mm(50μm)時(shí)拍攝到了GaAs〈110〉取向的啞鈴狀結(jié)構(gòu)像,點(diǎn)間距為0.14nm[8]。3、原子尺度電子全息學(xué)Gabor在1948年當(dāng)時(shí)難以校正電子透鏡球差的情況下提出了電子全息的基本原理和方法。論證了如果用電子束制作全息圖,記錄電子波的振幅和位相,然后用光波進(jìn)行重現(xiàn),只要光線光學(xué)的像差精確地與電子光學(xué)的像差相匹配,就能得到無(wú)像差的、分辨率更高的像。由于那時(shí)沒(méi)有相干性很好的電子源,電子全息術(shù)的發(fā)展相當(dāng)緩慢。后來(lái),這種光波全息思想應(yīng)用到激光領(lǐng)域,獲得了極大的成功。Gabor也因此而獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。隨著Mollenstedt靜電雙棱鏡的發(fā)明以及點(diǎn)狀燈絲,特別是場(chǎng)發(fā)射電子槍的發(fā)展,電子全息的理論和實(shí)驗(yàn)研究也有了很大的進(jìn)展,在電磁場(chǎng)測(cè)量和高分辨電子顯微像的重構(gòu)等方面取得了豐碩的成果[9]。Lichte等用電子全息術(shù)在CM30FEG/ST型電子顯微鏡(球差系數(shù)Cs=1.2mm)上以1k×1k的慢掃描CCD相機(jī),獲得了0.13nm的分辨本領(lǐng)。目前,使用剛剛安裝好的CM30FEG/UT型電子顯微鏡(球差系數(shù)Cs=0.65mm)和2k×2k的CCD相機(jī),已達(dá)到0.1nm的信息極限分辨本領(lǐng)[10,11]。4、表面的高分辨電子顯微正面成像如何區(qū)分表面和體點(diǎn)陣周期從而得到試樣的表面信息是電子顯微學(xué)界一個(gè)長(zhǎng)期關(guān)心的問(wèn)題。目前表面的高分辨電子顯微正面成像及其圖像處理已得到了長(zhǎng)足的進(jìn)展,成功地揭示了Si[111]表面(7×7)重構(gòu)的細(xì)節(jié),不僅看到了掃描隧道顯微鏡STM能夠看到的處于表面第一層768電子顯微學(xué)報(bào)J.Chin.Electr.Microsc.Soc.17(6)¨767~7761998年附原子(adatoms),而且看到了頂部三層的所有原子,包括STM目前還難以看到的處于第三層的二聚物(dimers),說(shuō)明正面成像法與目前認(rèn)為最強(qiáng)有力的,在原子水平上直接觀察表面結(jié)構(gòu)的STM相比,也有其獨(dú)到之處。李日升等以Cu[110]晶膜表面上觀察到了由Cu-O原子鏈的吸附產(chǎn)生的(2×1)重構(gòu)為例,采用表面的高分辨電子顯微正面成像法,表明對(duì)于所有的強(qiáng)周期體系,均存在襯度隨厚度呈周期性變化的現(xiàn)象,對(duì)一般厚膜也可進(jìn)行高分辨表面正面像的觀測(cè)[12]。5、超高壓電子顯微鏡近年來(lái),超高壓透射電鏡的分辨本領(lǐng)有了進(jìn)一步的提高。JEOL公司制成1250kV的JEM-ARM1250/1000型超高壓原子分辨率電鏡,點(diǎn)分辨本領(lǐng)已達(dá)0.1nm,可以在原子水平上直接觀察厚試樣的三維結(jié)構(gòu)[13]。日立公司于1995年制成一臺(tái)新的3MV超高壓透射電鏡,分辨本領(lǐng)為0.14nm[14]。超高壓電鏡分辨本領(lǐng)高、對(duì)試樣的穿透能力強(qiáng)(1MV時(shí)約為100kV的3倍),但價(jià)格昂貴,需要專門(mén)建造高大的實(shí)驗(yàn)室,很難推廣。6、中等電壓電子顯微鏡中等電壓200kV、300kV電鏡的穿透能力分別為100kV的1.6和2.2倍,成本較低、效益/投入比高,因而得到了很大的發(fā)展。場(chǎng)發(fā)射透射電鏡已日益成熟。TEM上常配有鋰漂移硅Si(Li)X射線能譜儀(EDS),有的還配有電子能量選擇成像譜儀,可以分析試樣的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)。原來(lái)的高分辨和分析型兩類電鏡也有合并的趨勢(shì):用計(jì)算機(jī)控制甚至完全通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件操作,采用球差系數(shù)更小的物鏡和場(chǎng)發(fā)射電子槍,既可以獲得高分辨像又可進(jìn)行納米尺度的微區(qū)化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)分析,發(fā)展成多功能高分辨分析電鏡。JEOL的200kVJEM-2010F和300kVJEM-3000F,日立公司的200kVHF-2000以及荷蘭飛利浦公司的200kVCM200FEG和300kVCM300FEG型都屬于這種產(chǎn)品[1]。目前,國(guó)際上常規(guī)200kVTEM的點(diǎn)分辨本領(lǐng)為0.2nm左右,放大倍數(shù)約為50倍—150萬(wàn)倍。7、120kV、100kV分析電子顯微鏡生物、醫(yī)學(xué)以及農(nóng)業(yè)、藥物和食品工業(yè)等領(lǐng)域往往要求把電鏡和光學(xué)顯微鏡得到的信息聯(lián)系起來(lái)。因此,一種在獲得高分辨像的同時(shí)還可以得到大視場(chǎng)高反差的低倍顯微像、操作方便結(jié)構(gòu)緊湊,裝有EDS的計(jì)算機(jī)控制分析電鏡也就應(yīng)運(yùn)而生。例如,飛利浦公司的CM120Biotwin電鏡配有冷凍試樣臺(tái)和EDS,可以觀察分析反差低以及對(duì)電子束敏感的生物試樣。日本的JEM-1200電鏡在中、低放大倍數(shù)時(shí)都具有良好的反差,適用于材料科學(xué)和生命科學(xué)研究。目前,這種多用途120kV透射電鏡的點(diǎn)分辨本領(lǐng)達(dá)0.35nm左右[1]。8、場(chǎng)發(fā)射槍掃描透射電子顯微鏡場(chǎng)發(fā)射掃描透射電鏡STEM是由美國(guó)芝加哥大學(xué)的A.V.Crewe教授在70年代初期發(fā)展起來(lái)的。試樣后方的兩個(gè)探測(cè)器分別逐點(diǎn)接收未散射的透射電子和全部散射電子。彈性和非彈性散射電子信息都隨原子序數(shù)而變。環(huán)狀探測(cè)器接收散射角大的彈性散射電子。重原子的彈性散射電子多,如果入射電子束直徑小于0.5nm,且試樣足夠薄,便可得到單個(gè)原子像。實(shí)際上STEM也已看到了γ-alumina支持膜上的單個(gè)Pt和Rh原子[15]。透射電子通過(guò)環(huán)狀探測(cè)器中心的小孔,由中心探測(cè)器接收,再用能量分析器測(cè)出其損失的特征能量,便可進(jìn)行成分分析。為此,Crewe發(fā)展了亮度比一般電子槍高約5個(gè)量級(jí)的場(chǎng)發(fā)射電子槍FEG:曲率半徑僅為100nm左右的鎢單晶針尖在電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)100MV/cm的作用下,在室溫時(shí)即可產(chǎn)生場(chǎng)發(fā)射電子,把電子束聚焦到0.2—1.0nm而仍有足夠大的亮度。英國(guó)VG公司在80年代開(kāi)始生產(chǎn)這種STEM。最近在VGHB5FEGSTEM上增加了一個(gè)電磁四極—八極球差校正器,球差系數(shù)由原來(lái)的3.5mm減少到0.1mm以下。進(jìn)一步排除各種不穩(wěn)定因素后,可望把100kVSTEM的暗場(chǎng)像的分辨本領(lǐng)提高到769電子顯微學(xué)報(bào)J.Chin.Electr.Microsc.Soc.17(6)¨767~7761998年m[16]。利用加速電壓為300kV的VG-HB603U型獲得了Cu〈112〉的電子顯微像:0.208nm的基本間距和0.127nm的晶格像。期望物鏡球差系數(shù)減少到0.7mm的400kV儀器能達(dá)到更高的分辨本領(lǐng)[15]。這種UHV-STEM儀器相當(dāng)復(fù)雜,難以推廣。9、能量選擇電子顯微鏡能量選擇電鏡EF-TEM是一個(gè)新的發(fā)展方向。在一般透射電鏡中,彈性散射電子形成顯微像或衍射花樣;非彈性散射電子則往往被忽略,而近來(lái)已用作電子能量損失譜分析。德國(guó)Zeiss-Opton公司在80年代末生產(chǎn)的EM902A型生物電鏡,在成像系統(tǒng)中配有電子能量譜儀,選取損失了一定特征能量的電子來(lái)成像。其主要優(yōu)點(diǎn)是:可觀察0.5μm的厚試樣,對(duì)未經(jīng)染色的生物試樣也能看到高反差的顯微像,還能獲得元素分布像等。目前Leica與Zeiss合并后的LEO公司的EM912Omega電鏡裝有Ω-電子能量過(guò)濾器,可以濾去形成背底的非彈性散射電子和不需要的其它電子,得到具有一定能量的電子信息,進(jìn)行能量過(guò)濾會(huì)聚束衍射和成像,清晰地顯示出原來(lái)被掩蓋的微弱顯微和衍射電子花樣。該公司在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了200kV的全自動(dòng)能量選擇TEM[17]。JEOL公司也發(fā)展了帶Ω-電子能量過(guò)濾器的JEM2010FEF型電子顯微鏡,點(diǎn)分辨本領(lǐng)為0.19nm,能量分辨率在100kV和200kV時(shí)分別為2.1μm/eV和1.1μm/eV[18]。日立公司也報(bào)道了用EF-1000型γ形電子能量譜成像系統(tǒng),在TEM中觀察到了半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器DRAM中厚0.5μm切片的清晰剖面顯微像[19]。美國(guó)GATAN公司的電子能量選擇成像系統(tǒng)裝在投影鏡后方,可對(duì)電子能量損失譜EELS選擇成像。可在幾秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)在線的數(shù)據(jù)讀出、處理、輸出、及時(shí)了解圖像的質(zhì)量,據(jù)此自動(dòng)調(diào)節(jié)有關(guān)參數(shù),完成自動(dòng)合軸、自動(dòng)校正像散和自動(dòng)聚焦等工作。例如,在400kV的JEM-4000EX電鏡上用PEELS得到能量選擇原子像,并同時(shí)完成EELS化學(xué)分析。透射電鏡經(jīng)過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展已接近或達(dá)到了由透鏡球差和衍射差所決定的0.1—0.2nm的理論分辨本領(lǐng)。人們正在探索進(jìn)一步消除透鏡的各種像差[20],在電子槍后方再增加一個(gè)電子單色器,研究新的像差校正法,進(jìn)一步提高電磁透鏡和整個(gè)儀器的穩(wěn)定性;采用并進(jìn)一步發(fā)展高亮度電子源場(chǎng)發(fā)射電子槍,X射線譜儀和電子能量選擇成像譜儀,慢掃描電荷耦合器件CCD,冷凍低溫和環(huán)境試樣室,納米量級(jí)的會(huì)聚束微衍射,原位實(shí)時(shí)分析,錐狀掃描晶體學(xué)成像(ConicalScanCrystallography),全數(shù)字控制,圖像處理與現(xiàn)代信息傳送技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作觀察,以及克服試樣本身帶來(lái)的各種限制,透射電鏡正面臨著一個(gè)新的重大突破。掃描電子顯微鏡1、分析掃描電鏡和X射線能譜儀目前,使用最廣的常規(guī)鎢絲陰極掃描電鏡的分辨本領(lǐng)已達(dá)3.5nm左右,加速電壓范圍為0.2—30kV。掃描電鏡配備X射線能譜儀EDS后發(fā)展成分析掃描電鏡,不僅比X射線波譜儀WDS分析速度快、靈敏度高、也可進(jìn)行定性和無(wú)標(biāo)樣定量分析。EDS發(fā)展十分迅速,已成為儀器的一個(gè)重要組成部分,甚至與其融為一體。但是,EDS也存在不足之處,如能量分辨率低,一般為129—155eV,以及Si(Li)晶體需在低溫下使用(液氮冷卻)等。X射線波譜儀分辨率則高得多,通常為5—10eV,且可在室溫下工作。1972年起EDAX公司發(fā)展了一種ECON系列無(wú)窗口探測(cè)器,可滿足分析超輕元素時(shí)的一些特殊需求,但Si(Li)晶體易受污染。1987年Kevex公司開(kāi)發(fā)了能承受一個(gè)大氣壓力差的ATW超薄窗,避免了上述缺點(diǎn),可以探測(cè)到B,C,N,O等超輕元素,為大量應(yīng)用創(chuàng)造了條件。目前,美國(guó)Kevex公司的Quantifier,Noran公司的Extreme,Link公司的Ultracool,EDAX公司的Sapphire等Si(Li)探測(cè)器都屬于這種單窗口超輕元素探測(cè)器,分辨率770電子顯微學(xué)報(bào)J.Chin.Electr.Microsc.Soc.17(6)¨767~7761998年9eV,133eV等,探測(cè)范圍擴(kuò)展到了5B—92U。為克服傳統(tǒng)Si(Li)探測(cè)器需使用液氮冷卻帶來(lái)的不便,1989年Kevex公司推出了可不用液氮的Superdry探測(cè)器,Noran公司也生產(chǎn)了用溫差電制冷的Freedom探測(cè)器(配有小型冷卻循環(huán)水機(jī)),和壓縮機(jī)制冷的Cryocooled探測(cè)器。這兩種探測(cè)器必須晝夜24小時(shí)通電,適合于無(wú)液氮供應(yīng)的單位?，F(xiàn)在使用的大多還是改進(jìn)的液氮冷卻Si(Li)探測(cè)器,只需在實(shí)際工作時(shí)加入液氮冷卻,平時(shí)不必維持液氮的供給。最近發(fā)展起來(lái)的高純鍺Ge探測(cè)器,不僅提高了分辨率,而且擴(kuò)大了探測(cè)的能量范圍(從25keV擴(kuò)展到100keV),特別適用于透射電鏡:如Link的GEM型的分辨率已優(yōu)于115eV(MnKα)和65eV(FKα),Noran的ExplorerGe探測(cè)器,探測(cè)范圍可達(dá)100keV等。1995年中國(guó)科學(xué)院上海原子核研究所研制成了Si(Li)探測(cè)器,能量分辨率為152eV[21]。中國(guó)科學(xué)院北京科學(xué)儀器研制中心也生產(chǎn)了X射線能譜分析系統(tǒng)Finder-1000,硬件借鑒Noran公司的功能電路,配以該公司的探測(cè)器,采用Windows操作系統(tǒng),開(kāi)發(fā)了自己的圖形化能譜分析系統(tǒng)程序[22]。2、X射線波譜儀和電子探針儀現(xiàn)代SEM大多配置了EDS探測(cè)器以進(jìn)行成分分析。當(dāng)需低含量、精確定量以及超輕元素分析時(shí),則可再增加1到4道X射線波譜儀WDS。Microspec公司的全聚焦WDX-400,WDX-600型分別配有4塊和6塊不同的衍射晶體,能檢測(cè)到5B(4Be)以上的各種元素。該譜儀可以傾斜方式裝在掃描電鏡試樣室上,以便對(duì)水平放置的試樣進(jìn)行分析,而不必如垂直譜儀那樣需用光學(xué)顯微鏡來(lái)精確調(diào)整試樣離物鏡的工作距離。為滿足大量多元素試樣的超輕元素,低含量,高速定性、定量常規(guī)分析的需求,法國(guó)Cameca公司長(zhǎng)期生產(chǎn)電子探針儀,SX50和SXmacro型配備4道WDS及1道EDS,物鏡內(nèi)裝有同軸光學(xué)顯微鏡可以隨時(shí)觀察分析區(qū)域[23]。島津公司最近生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)控制EPMA-1600型電子探針,可配置2—5道WDS和1道EDS,試樣最大尺寸為100mm×100mm×50mm(厚),二次電子圖像分辨率為6nm。JEOL公司也生產(chǎn)了計(jì)算機(jī)控制的JXA-8800電子探針和JXA-8900系列WD/ED綜合顯微分析系統(tǒng)—超電子探針,可裝5道X射線光譜儀和1道X射線能譜儀,元素分析范圍為5B—92U,二次電子圖像分辨率為6nm。Noran公司下屬的Peak公司最近發(fā)展了一種嶄新的APeX全參數(shù)X射線光譜儀,與傳統(tǒng)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)完全不同,由計(jì)算機(jī)控制6個(gè)獨(dú)立的伺服馬達(dá)分別調(diào)節(jié)分光晶體的位置和傾角以及X射線探測(cè)器的X、Y坐標(biāo)和狹縫寬度。配有4塊標(biāo)準(zhǔn)的分光晶體可分析5B(4Be)以上的元素。羅蘭圓半徑隨分析元素而變,可分別為170,180,190和200mm,以獲得最高的計(jì)數(shù)率,提高了分析精度和靈活性。Noran公司還推出了稱為MAXray的X射線平行束光譜儀,將最新的X光學(xué)研究成果——準(zhǔn)平行束整體X光透鏡置于試樣上的X射線發(fā)射點(diǎn)和分析晶體之間,提高了接收X射線的立體角,比一般WDS的強(qiáng)度提高了50倍左右?？煞治?00eV—1.8keV能量范圍內(nèi)的K、L、M線,特別有利于低電壓、低束流分析,對(duì)Be、B、C、N、O和F的分辨率可高達(dá)5—15eV,兼有WDS的高分辨率和EDS的高收集效率。這兩種新型X射線光譜儀可望得到廣泛的應(yīng)用。3、場(chǎng)發(fā)射槍掃描電鏡和低壓掃描電鏡場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡得到了很大的發(fā)展[24]。日立公司推出了冷場(chǎng)發(fā)射槍掃描電鏡,Amray公司則生產(chǎn)熱場(chǎng)發(fā)射槍掃描電鏡,不僅提高了常規(guī)加速電壓時(shí)的分辨本領(lǐng),還顯著改善了低壓性能。低壓掃描電鏡LVSEM由于可以提高成像的反差,減少甚至消除試樣的充放電現(xiàn)象并減少輻照損傷,因此受到了人們的囑目。JEOL公司的JSM-6000F型場(chǎng)發(fā)射超高分辨SEM的分辨本領(lǐng)在加速電壓30kV時(shí)達(dá)0.6nm,已接近TEM的水平,但試樣必須浸沒(méi)入物鏡的強(qiáng)磁場(chǎng)中以減少球差的影響,所以尺寸受到限制,最大為23mm×6mm×3mm(厚)。試樣半浸沒(méi)在物鏡磁場(chǎng)中的場(chǎng)771電子顯微學(xué)報(bào)J.Chin.Electr.Microsc.Soc.17(6)¨767~7761998年JSM-6340F型可以觀察大試樣,加速電壓15kV時(shí)分辨本領(lǐng)為1.2nm,低壓1kV時(shí)為2.5nm。這兩種SEM由于試樣要處在磁場(chǎng)中所以不能觀察磁性材料。使用CF校正場(chǎng)小型物鏡可觀察大試樣的場(chǎng)發(fā)射JSM-6600F型分辨本領(lǐng)為2.5nm(1kV時(shí)為8nm)。日立公司也供應(yīng)這幾類產(chǎn)品如S-5000,S-4500和S-4700型[1]。4、超大試樣室掃描電鏡德國(guó)Visitec捷高公司的超大試樣室Mira型掃描電鏡。被檢物的最大尺寸可為直徑700mm,高600mm,長(zhǎng)1400mm,最大重量可達(dá)300公斤,真空室長(zhǎng)1400,寬1100和高1200mm。分辨本領(lǐng)4nm,加速電壓0.3kV—20kV。是一種新的計(jì)算機(jī)控制、非破壞性的檢查分析測(cè)試裝置,可用于工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn),質(zhì)量管理,微機(jī)加工和工藝品的檢查研究等。5、環(huán)境掃描電鏡80年代出現(xiàn)的環(huán)境掃描電鏡ESEM,根據(jù)需要試樣可處于壓力為1—2600Pa不同氣氛的高氣壓低真空環(huán)境中,開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。與試樣室內(nèi)為10-3Pa的常規(guī)高真空SEM不同,所以也可稱為低真空掃描電鏡LV-SEM。在這種低真空環(huán)境中,絕緣試樣即使在高加速電壓下也不會(huì)因出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象而無(wú)法觀察;潮濕的試樣則可保持其原來(lái)的含水自然狀態(tài)而不產(chǎn)生形變。因此,ESEM可直接觀察塑料、陶瓷、紙張、巖石、泥土,以及疏松而會(huì)排放氣體的材料和含水的生物試樣,無(wú)需先噴涂導(dǎo)電層或冷凍干燥處理。1990年美國(guó)ElectroScan公司首先推出了商品ESEM。為了保證試樣室內(nèi)的高氣壓低真空環(huán)境,LV-SEM的真空系統(tǒng)須予以特殊考慮。目前,Amray,Hitachi,JEOL和LEO等公司都有這種產(chǎn)品[1]。試樣室為6—270Pa時(shí),JSM—5600LV—SEM的分辨本領(lǐng)已達(dá)5.0nm,自動(dòng)切換到高真空狀態(tài)后便如常規(guī)掃描電鏡一樣,分辨本領(lǐng)達(dá)3.5nm。中國(guó)科學(xué)院北京科學(xué)儀器研制中心與化工冶金研究所合作,發(fā)展KYKY-1500高溫環(huán)境掃描電子顯微鏡[25],試樣最高溫度可達(dá)1200℃,最高氣壓為2600Pa;800℃時(shí)分辨率為60nm,觀察了室溫下的濕玉米淀粉顆粒斷面、食鹽的結(jié)晶粒子,以及在50Pa,900℃時(shí)鐵礦中的針形Fe2O3等試樣。6、掃描電聲顯微鏡80年代初問(wèn)世的掃描電聲顯微鏡SEAM,采用了一種新的成像方式:其強(qiáng)度受頻閃調(diào)制的電子束在試樣表面掃描,用壓電傳感器接收試樣熱、彈性微觀性質(zhì)變化的電聲信號(hào),經(jīng)視頻放大后成像。能對(duì)試樣的亞表面實(shí)現(xiàn)非破壞性的剖面成像。可應(yīng)用于半導(dǎo)體、金屬和陶瓷材料,電子器件及生物學(xué)等領(lǐng)域。中國(guó)科學(xué)院北京科學(xué)儀器研制中心也發(fā)展了這種掃描電聲顯微鏡,空間分辨本領(lǐng)為0.2—0.3μm[26]。最近,中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所采用數(shù)字掃描發(fā)生器控制電子束掃描等技術(shù),提高了信噪比,使SEAM的圖像質(zhì)量得到了很大的改進(jìn)[27]。7、測(cè)長(zhǎng)/缺陷檢測(cè)掃描電鏡SEM不但在科學(xué)研究而且在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用,特別是電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的興起使其得到了很大的發(fā)展。目前半導(dǎo)體超大規(guī)模集成電路每條線的制造寬度正由0.25μm向0.18μm邁進(jìn)。作為半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)線上Si片的常規(guī)檢測(cè)工具,美國(guó)Amray公司推出了一種缺陷檢測(cè)3800型DRT掃描電鏡,采用了加熱到1800K的ZrO/W陰極肖脫基熱場(chǎng)發(fā)射電子槍,具有良好的低加速電壓性能:1kV時(shí)分辨本領(lǐng)達(dá)4nm,而且電子束流的穩(wěn)定度優(yōu)于1%/h、可長(zhǎng)期連續(xù)工作,對(duì)直徑為100,125,150,200mm的Si片,每小時(shí)可檢測(cè)100個(gè)缺陷。日立公司為了克服以往在室溫下工作的冷場(chǎng)發(fā)射槍測(cè)長(zhǎng)掃描電鏡(CD-SEM)因需要進(jìn)行閃爍處理以去除發(fā)射尖上所吸附的氣體分子而經(jīng)常中斷工作、影響在生產(chǎn)線上應(yīng)用的缺點(diǎn),最近也推出了這種ZrO/W陰極熱場(chǎng)發(fā)射電子槍的S-8000系列CD-SEM。為了克服熱場(chǎng)發(fā)射比冷場(chǎng)發(fā)射槍電子能量772大的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了阻滯場(chǎng)電磁物鏡,并改進(jìn)了二次電子探測(cè)器,在加速電壓為800V時(shí)分辨本領(lǐng)為5nm,可以每小時(shí)20片,每片5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的速度連續(xù)檢測(cè)125—200mm直徑的Si[1,28]。8、晶體學(xué)取向成像掃描電子顯微術(shù)SEM的另一個(gè)新發(fā)展方向是以背散射電子衍射圖樣(EBSP)為基礎(chǔ)的晶體學(xué)取向成像電子顯微術(shù)(OIM)[29]。在SEM上增加一個(gè)可將試樣傾動(dòng)約70度的裝置,CCD探測(cè)器和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng),掃描并接收記錄塊狀試樣表面的背散射電子衍射花樣(背散射菊池花樣),按試樣各部分不同的晶體取向分類成像來(lái)獲得有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的信息,可顯示晶粒組織、晶界和裂紋等,也可用于測(cè)定織構(gòu)和晶體取向。可望發(fā)展成SEM的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)附件。1996年美國(guó)TSL(TexSemLaboratories,Inc.)公司推出了TSLOIM系統(tǒng),空間分辨本領(lǐng)已優(yōu)于0.2μm,比原理相似的電子通道圖樣(ECP)提高了一個(gè)量級(jí),在0.4秒鐘內(nèi)即能完成一張衍射圖樣的自動(dòng)定標(biāo)工作。英國(guó)牛津集團(tuán)顯微分析儀器Link-OPAL公司的EBSD結(jié)晶學(xué)分析系統(tǒng),目前已用于Si片上Al連線的取向分析,以判斷其質(zhì)量的優(yōu)劣及可靠性。9、計(jì)算機(jī)控制掃描電鏡90年代初,飛利浦公司推出了XL系列掃描電鏡。在保持重要功能的同時(shí),減少了操作的復(fù)雜性。儀器完全由計(jì)算機(jī)軟件控制操作。許多參量(焦距、像散校正和試樣臺(tái)移動(dòng)速度等)和調(diào)節(jié)靈敏度都會(huì)根據(jù)顯微鏡的工作狀態(tài)作自適應(yīng)變化和耦合,可迅速而準(zhǔn)確地改變電鏡的主要參數(shù)。EDS完全與XL系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一體化。該公司1995年生產(chǎn)了XL40FEG等場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡。日立,JEOL等也先后推出了計(jì)算機(jī)控制的掃描電鏡[1]。場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡的分辨本領(lǐng)最高已達(dá)到0.6nm,接近了透射電鏡的水平,并得到了廣泛的應(yīng)用,但尚不能分辨原子。如何進(jìn)一步提高掃描電鏡的圖像質(zhì)量和分辨本領(lǐng)是人們十分關(guān)注的問(wèn)題。JoyDC[30]指出:由于分辨本領(lǐng)受到試樣表面二次電子SE擴(kuò)散區(qū)大小的基本限制,采取適當(dāng)措施如噴鍍一超薄金屬層或布洛赫波隧穿效應(yīng)(BlochWaveChanneling)等來(lái)限制SE擴(kuò)散區(qū)的尺寸,二次電子分辨本領(lǐng)可望達(dá)到0.2—0.3nm,并進(jìn)而觀察原子像。現(xiàn)代SEM電子束探針的半高寬FWHM已達(dá)0.3nm,場(chǎng)發(fā)射電子槍也已具有足夠高的亮度。因此在電子光學(xué)方面目前并不構(gòu)成對(duì)SE分辨本領(lǐng)的基本限制。然而,對(duì)SEM的機(jī)械設(shè)計(jì)如試樣臺(tái)的漂移和震動(dòng)等尚未給予足夠的、如對(duì)掃描隧道顯微鏡那樣的重視、二次電子探測(cè)器的信噪比和反差還不夠理想,也影響了分辨本領(lǐng)。此外,SE分辨本領(lǐng)的定義和測(cè)定方法,SEM圖像處理等也不如透射電子顯微鏡那么嚴(yán)格和完善。這些問(wèn)題的解決必將進(jìn)一步提高SEM的圖像質(zhì)量和分辨本領(lǐng)。參考文獻(xiàn)[1]金鶴鳴,姜新力,姚駿恩.中國(guó)電子顯微分析儀器市場(chǎng).見(jiàn):分析儀器市場(chǎng)調(diào)查與分析.北京:海洋出版社,1998.第四章.p113—152.(待出版).[2]姚駿恩.創(chuàng)造探索微觀世界的有力工具(今年諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者的貢獻(xiàn)).中國(guó)科技報(bào),1986-12-08(3).[3]姚駿恩.電子顯微鏡的最近進(jìn)展.電子顯微學(xué)報(bào),1982,1(1)¨1—9.[4]郭可信.晶體電子顯微學(xué)與諾貝爾獎(jiǎng).電子顯微學(xué)報(bào),1983,2(2)¨1—5.[5]HashimotoH,KumaoA,HinoK,YotsumoH,OnoA.JapanJ.Appl.Phys.,1971,10¨1115.[6]A)何萬(wàn)中.晶體缺陷高分辨電子顯微像圖像處理方法研究:[博士學(xué)位論文].北京:中國(guó)科學(xué)院物理研究所,1997.B)李方華,何萬(wàn)中.場(chǎng)發(fā)射高分辨電子顯微像的復(fù)原.電子顯微學(xué)報(bào),1997,16(3)¨177—181.[7]HaiderM,ZachJ.Resolutionimprovementofelectronmicroscopesbymeansofcorrectorstocompensateforaxialaberrations.In:CalderonBenavidesHA,YacamanMJeds.ElectronMicroscopy1998.Proc.14ICEM,Cancun,Mexico,31Aug.-4Sept.1998.Bristol:IOPPublishing,1998.Vol.1.53—54.[8]KabiusB,UrbanK,HaiderM,UhlemannS,SchwanE,RoseH.Firstapplicationsofaspherical-aberrationcorrectedtransmissionelectron