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探索微觀世界的方式

 更新時間:2019-10-09 點擊量:2561

俗話說“耳聽為虛,眼見為實”。然而,人眼的分辨率是存在極限的,一般情況下指在正常光線條件下肉眼可以分辨的近物點的距離。通常認(rèn)為在 250 mm 的距離上,分辨率為 0.2 mm。為了能夠更好地探索微觀世界奧秘,人們開始借助工具來實現(xiàn)這一目的。

 

首先出現(xiàn)的是光學(xué)顯微鏡。早在兩千多年之前,人們就發(fā)現(xiàn)了可以通過球狀的透明體來觀察微觀物體。直到 17 世紀(jì) 70 年代,荷蘭的列文 · 虎克制成了單組元放大鏡式的高倍顯微鏡,其中有 9 臺一直保存至今。

 

    

列文·虎克和他研制的光學(xué)顯微鏡

 

毫無疑問,光學(xué)顯微鏡的出現(xiàn)提高了人們認(rèn)識世界的微觀尺度。隨著光學(xué)顯微鏡技術(shù)的不斷提升,逐漸出現(xiàn)了偏光顯微術(shù),干涉顯微術(shù)等。然而,光學(xué)顯微鏡的分辨率也存在極限,其分辨率主要取決于入射光的波長,可以根據(jù)公式計算:

 

 

當(dāng)使用藍(lán)綠光作為照明源,λ = 450 - 570 nm,此時分辨率約為 d = 250 nm,即使使用波長更短的紫光,其分辨率為 d = 200 nm。

 

隨著科技的發(fā)展,光學(xué)顯微鏡的分辨率已經(jīng)無法滿足人們探索更加微觀物體的觀測需求。此時,電子顯微鏡逐步在光學(xué)和力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上建立起來。

 

電子顯微鏡又可以分為透射電子顯微鏡(TEM)以及掃描電子顯微鏡(SEM)。

 

透射電鏡

 

根據(jù)上述公式可以知道波長越短分辨率越高。1932 年 Ruska 發(fā)明了以電子束為光源的透射電子顯微鏡,電子束的波長比可見光和紫外光短,并且電子束的波長與發(fā)射電子束的電壓平方根成反比,也就是說電壓越高波長越短。目前 TEM 的分辨率可達(dá) 0.2 nm。

 

掃描電鏡

 

主要是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用,使入射電子轟擊物體表面,激發(fā)出二次電子,俄歇電子,特征 X 射線,連續(xù) X 射線,背散射電子,透射電子等。SEM 中的各類檢測器可以根據(jù)不同信息的產(chǎn)生機(jī)理得到有關(guān)物質(zhì)的微觀形貌信息;通過采集 X 射線,可以得到物體的化學(xué)成分信息。

 

對于 SEM 分辨率的定義更多的是使用邊緣化分辨率,邊緣分辨率量化了一個理想明暗邊界的成像銳利度。邊緣分辨率用 d35%-65% 表示, 它是指信號從 35% 增加到 65% 的間距。

 

飛納臺式掃描電鏡(Phenom SEM)新發(fā)布的臺式場發(fā)射掃描電鏡的分辨率可以達(dá)到 2.5 nm。毫無疑問 Phenom 是人們探索微觀世界的又一利器。

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