透射电子显微镜的发展简史

1923年,Louis de Broglie提出了物质波理论,即一切微观粒子如同光子一样具有波动性,且描述微观粒子粒子性的物理量E(能量)、P(动量)与描述微观粒子波动性的物理量ν(频率)、λ(波长)直接的关系为

式中,h——普朗克常量。

物质波理论的提出使得人们意识到各种微观粒子都可以作为入射波与物质作用,从而发生衍射现象。根据物质波理论,物质波(各种微观粒子对应的波)的波长与其动量成反比,只要将粒子加速到足够的动量,就可得到波长很短的物质波。在1927年Davisson与Germer将电子束垂直投射到镍单晶上,观察到了电子的衍射现象。同年Tompson将电子束投射到多晶薄金属片上也观察到了如同X射线一样的衍射现象。电子衍射实验证明了物质波的存在。

早在100多年前,德国著名理论光学家Ernst Abbe给出了光学仪器的最小分辨距离:

式中,d——光学仪器可分辨的两物点之间的最小距离;

λ——光波波长;

n——介质折射率;(www.zuozong.com)

α——光学透镜的半镜口角。

光学仪器的分辨本领,即光学仪器的分辨本领反比于光波波长。

1926年,Busch指出具有轴对称性的磁场对电子束起着透镜的作用,可以使电子束聚焦成像。这一发现直接导致电磁透镜的产生,利用电磁透镜可以聚集电子束作为高倍率放大装置的电子源,同时电磁透镜可以作为放大镜对电子图像逐级放大,这都为电子显微镜提供了可行的技术。因为电子波的波长要比光波波长短,可以想见电子显微镜的分辨本领要比光学显微镜高,即电子显微镜的分辨率比光学显微镜的小。

1932年柏林大学的Knoll和Ruska提出了透射电子显微镜的概念,并于1933年制造出了第一台带双透镜电子源的电子显微镜,其分辨率可达50 nm。1939年德国西门子公司制造出了第一台商用透射电子显微镜,分辨率优于10 nm。我国于1958年成功研制第一台透射电子显微镜,型号为DX-100(Ⅰ)中型,其分辨率为10 nm。

现代高性能透射电子显微镜的点分辨率已优于0.3 nm,晶格分辨率已达0.1～0.2 nm。放大倍数从第一台电镜的十几倍提高到几十万倍甚至百万倍。此外,透射电子显微镜的功能不断扩展,除了观察样品内部超微结构外,还开发出了能同时观察样品表面和内部超微结构,乃至单个原子像的高分辨场发射枪扫描透射电子显微镜(scanning transmission electron microscope,STEM),可观察活细胞的高压透射电子显微镜(high voltage transmission electron microscope,HVTEM),能观察含水样品的低温透射电子显微镜(cryo-transmission electron microscope,CTEM)。

日本电子株式会社2010年7月最新推出了冷场发射双球差校正原子分辨和分析型ARM200F透射电镜,ARM200F在保证亚纳米分辨率0.078 nm的同时,能量分辨率提高到0.3 eV,极大增强了原子级观察和原子级分析能力。2017年6月日本电子株式会社推出了最新款的JEM-ARM200F NEOARM原子级分辨率透射电子显微镜,“NEOARM”标配了日本电子独自开发的冷场发射电子枪(Cold-FEG)和全新的高阶球差校正器(ASCOR),无论是在200 kV的高加速电压还是在30 kV的低加速电压下,均能实现原子级分辨率的观察与分析。同时还配备了自动像差校正系统,可以自动进行快速准确的像差校正。新STEM成像技术(e-ABF法)可以更加简便地观察到含有轻元素样品的高清晰(衬度)图像。