化學專業保研手冊-第十二章：化學前沿（電子顯微鏡）

一、電子顯微鏡概論

電子顯微鏡簡稱電鏡，屬於電子光學儀器。由於電子的德布羅意波長比光波短几個量級，故電鏡的解析度極高。

二、透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope, TEM）

1. 原理：TEM放大原理與光學顯微鏡類似，用電子透鏡替代玻璃透鏡，把加速和聚集的電子束透射到非常薄的樣品上，電子與樣品中原子碰撞而改變方向，產生立體角散射，散射角大小與樣品密度、厚度有關，可形成明暗不同的影像。簡而言之，TEM利用樣品對入射電子反射能力的差異而成像。

2. 樣品照明區域越大，放大倍數越小，TEM主要用於觀察納米材料的形貌尺寸

3. 樣品要求：必須對電子束「透明」且保持高解析度而不失真。

4. 高解析度透射電子顯微鏡（High Resolution Transmission Electron Microscopy, HRTEM）

三、掃描電子顯微鏡（Scanning Electronic Microscopy, SEM）

1. 組成：電子光學系統+信號搜集與顯示系統+真空系統+電源系統

①電子光學系統：獲得較高亮度和儘可能小的束斑直徑的掃描電子束，大多數採用熱陰極電子槍，掃描線圈負責提供同步掃描信號，非常重要。

②信號檢測放大系統：電子檢測器最普遍，需要光電倍增管（Photomultiplier Tube, PMT），注意鏡筒中經過掃描線圈的電子束與顯像管中電子束是同步掃描

③真空系統：保證電子光學系統正常工作，防止樣品污染提高真空度

2. 樣品要求：保持充分乾燥，水會導致電子器件受污染，同時影響樣品表面形態，干擾掃描結果

四、掃描透射電子顯微鏡（Scanning Transmission Electronic Microscopy, STEM）

1. 兼有SEM（電子束在樣品表面掃描）與TEM（電子穿透樣品成像）的特點，但STEM的技術要求很高，電學系統比兩者都要複雜，真空度要求極高。

2. STEM是TEM的發展，但與SEM不同之處在於其探測器在試樣下方

五、掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM）

1. 定義：根據量子力學中隧道效應原理，通過探測固體表面原子中電子的隧道電流來分辨固體表面形貌的新型顯微裝置。STM專門用來觀測金屬、半導體表面的納米結構

2. 原理：在金屬表面外，電子云密度呈指數衰減，衰減長度為1nm，用一個極細的。只有原子限度的金屬針尖作探針，將針與表面作兩個電極，樣品表面與針尖十分靠近時（<1nm）兩者電子云略有重疊，兩極間偏置電壓使電子穿過電極間勢壘，通過電子云狹窄通道流動形成隧道電流，隧道電流對針尖與樣品表面間距離極為敏感，距離減少0.1nm，電流增加1個數量級。

3. 工作模式：恆電流模式→針與樣品間局域高度保持不變，得到三維立體信息；恆高度模式→電流變化得到STM顯微圖像

4. 應用：掃描成像、探傷與修補、引發化學反應、移動與刻寫樣品

5. 優點：原子級高解析度；可在大氣、常溫、真空等多種條件下工作；樣品無需特殊處理，可實現無損探測

6. 缺點：恆電流模式下溝槽不能準確探測，恆高度模式稍好一點，但是真正改善需要使用半徑遠小於粒子間距的針尖；樣品必須有一定的導電性，半導體觀測效果差

六、原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）

1. 原理：探針與樣品原子間的原子間作用力。針尖位於樣品表面時會因受到樣品表面力而彎曲偏移，此過程遵從胡克定律，偏移量由激光反射至光敏二極體陣列來測量，常用反饋系統維持探頭與樣品片表面高度恆定。

2. 關鍵部件：頂端帶有用於掃描的尖細探針的微觀懸臂，懸臂長數十或數百納米，用Si或Si3N4（氮化硅）製備，針尖曲率半徑在納米量級。因此可以使用碳納米管做探針。

3. 優點：原子級解析度；導體、非導體均可觀察，彌補了STM的缺陷；可以提供真實的三維表面圖，不需對樣品進行任何特殊處理，在常壓乃至液體中均可良好工作，因此可以研究生物宏觀分子乃至活組織。

4. 缺點：成像範圍太小、速度慢、受探頭影響太大。

個人公眾號：煙雨舟橫

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