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显微镜技术的开发创新,加速了纳米时代的进程 日期:2019.08.28
 

显微镜技术的开发创新,加速了纳米时代的进程


刘玄庆    张康定    编写


摘要:  本文简述了国内外有关显微镜多年来的发展和近代先进的扫描探针显微技术(SPM),包括扫描隧道显微镜(STM)及原子力显微镜(AFM)的技术理论及重点应用的介绍。


关键词:显微分辨率;库仑堵塞效应;量子隧道效应;针尖技术;纳米技术


Abstract:In this article we describe the development at many years age about the microcope in world and modern times advanced technic theory and emphasis application of Scanning Probe Microscopy(SPM),which include the Scanning tunneling microscope(STM)and Atomic Force Microscope(AFM) and so on.


一.            在“纳米世纪”一书中将人类文明进程划分为:


(一)模糊时代:指工业革命之前的时代


(二)毫米时代:指工业革命到20世纪初


(三)人类跨入微米时代:指20世纪的两次科学技术革命


*次:20世纪40年代开始的原子——电子技术革命;


第二次:20世纪70年代以来发生的信息革命。


(四)迎接纳米时代:指21世纪将会以纳米技术为代表的新兴科学技术给人类带来第三次工业革命。


纳米技术正不断渗透到现代科学技术,如物理学、化学、电子学、材料学、生物学、医学、机械学等等领域。必将迅速地改变物质产品的生产方式,提高产品的质量,扩宽它们的应用范围,从而导致人类社会发展巨大变化。


应指出的是:在纳米时代到来和纳米时代中,纳米电子学技术都将会起到zui关键的作用。例如20世纪80年代的1982年,IBM公司的宾尼(Gerd Binning)和罗雷尔(Heinrich Rohrer)成功研制出世界上*台新型的扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM),使人类*次能够直观到物质表面的单个原子及其排列状态,并能够研究相关的物理、化学、生物等的性能,作用极大,应用非常广阔,涉及各行各业。为人类进入纳米世纪,加快进程,做出了巨大的贡献。STM的发明被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一,并由于这一杰出贡献宾尼( Binning)和罗雷尔(Rohrer)获得了1986年诺贝尔物理奖。


二.            从光学显微镜到电子显微镜的发展


观察微小物体的历史,是从放大镜开始的,然后进入显微镜时代。当光学显微镜达到了分辨本领的极限时,为了达到满足人们观察微观世界的渴望时,促成了电子显微镜的发明。


(一)。光学显微镜


光学显微镜的构思是:直接观察物体放大后的像,以代替用放大镜观察物体本身。因此需要有两块透镜组合起来。


*块透镜,产生物体的放大像,称为物像;第二块透镜,采用与*块同类型的放大镜,去看*块透镜放大后的像,称为目镜。


光学显微镜的进步,正在于这二块透镜的组合。由于映入人眼的物体像是这二块透镜放大率之积,因而大幅度提高了放大能力。但如果想提高放大率,就需要增加透镜的数目,那麽,将会遇到放大后像的畸变、弯曲、…….等称为像差问题。完全消除像差办不到,但依靠近代的技术水平有可能使像差保持到很小的值。例如,现代较好的光学显微镜可达到1000—1500倍。但这个放大率已是光学显微镜放大本领的极限。这个结论是埃贝、海仑霍尔茨等人在十九世纪中叶通过研究而获得的。埃贝等从理论证明:光学显微镜分辨本领界限的因素是——光线的波长,因为光学显微镜是利用光线来看物体的,为了要看到物体,物体的尺寸必须大于光的波长,这就是光学显微镜所以会有极限的原因,也称为光的衍射效应的影响,是无法克服的极限,这个极限在200毫微米左右。说明:


首先:人眼分辨本领大致为0.1毫米,即指两点如分开0.1毫米左右,一般可清晰分辨。


有效放大率=人眼分辨本领值/显微镜分辨本领值


如果设显微镜分辨本领值为200毫微米(200×10-9


则有效放大率=0.1×10-3米/200×10-3×10-6米=500倍


通常把前面定义的有效放大率再提高一至二倍,可使操作更清晰。如放大1000—1500倍,则分辨本领为0.1毫米的肉眼,观察0.2—0.3毫米相距的微米粒子径像会毫不吃力了。






(二)电子显微镜的诞生


1.发现电子束的波长远比可见光短


埃贝的理论和实验表明:利用波长愈短的波,分辨本领就越高,指导了人们的思维。


进入20年代后,法国科学家德布罗意发现电子流(电子束)也具有波动的性质。这种电子波的波长远比光波的波长短,也比X射线的波长短。于是人们就想到能否用电子束来代替光波。即与现代电视机中阴极射线管(显像管)发射出来的阴极射线相同的东西。经分析试验,电子束的运动速度与电压的平方根成正比,所以电子束的波长与电压的平方根成反比。


例如:



  


       


可见光


7,600—3,900


紫外线


  3,900—130


 


电子束


电压100伏


      1.23


电压10,000伏


      0.122


电压100,000伏


      0.0387


注:波长短正是电子显微镜得以打破光学显微镜分辨本领极限的关键所在。


2.发现电子束的波动特性只与电子束的粒子性有,而与波动性无关。


   电子是带有负电荷的粒子,而且电子的质量极小,几乎不受引力的作用,运动仅受电子所处位置上的磁场和电场的强度支配而改变其前进道路。


   1926年,德国科学家蒲许指出:“具有轴对称性的磁场对电子束说来起着透镜的作用。”蒲许从理论上设想了可利用磁场作为电子透镜。即当线圈中通以电流时,线圈周围将形成磁场。从线圈中心轴上某一点发出的电子,在磁场中沿螺旋线轨迹前进,然后会聚在中心轴的其他一点上。这对于电子说来,磁场显示出透镜作用,又称为“磁透镜”。今日的电子显微镜中的磁透镜,在线圈外面包有熟铁制的屏蔽外罩,线圈内侧装入经过高精度加工钴铁的小极靴,在小间隙(直径3毫米)中局部形成具有轴对称性的强磁场,就成了一具短焦距透镜。假设从透镜到光源距离为a,透镜到像距离为b,则光学透镜一般性公式:1/a+1/b=1/f(f—焦距),对于磁透镜也是成立的。这也是蒲许zui初导出的。


3.电子束成像原理和电子显微镜的构造


(1)    电子束成像原理


①电子束是一种带电的粒子流,空气对于电子束也起着明显的阻碍作用,为此必须使电子显微镜内部保持真空。②电子束的波长是随加速电压的波动而不断变动的,因此,为保持电子束波长的单一性,必须使电子显微镜的电压波动降低到十万分之一以下。电压的稳定程度,将是获得高分辨本领映象的一个重要因素。③电子束的成像,即电子像中的被检体的浓淡差(或称反衬度)与光学像的反衬度(亮度差或色度差)有本质上的不同。在电子像中,不考虑吸收问题,因为电子显微镜用的电子束是单色的,与用单色光成像相仿,物质与电子束之间不产生色的反应。所以,在像中显现出来的仅仅是浓淡而已。而电子浓淡的差别,是由于被检物对电子产生“散射”而形成的,即入射电子与物质原子碰撞后产生散射,被检物的不同部位对电子来说有不同的散射度,就形成了电子像的浓淡。物理学上可知,电子束的散射度是由物体的厚度与密度之积,以及加速电压的大小来决定的。







(2)    电子显微镜的构造


电子显微镜本体构造,原理上与光学显微镜相似。由三组透镜构成:即聚光镜、物镜和投影镜(目镜)组合而成。


聚光镜——用来集聚拢电子束和调节电子束的程度。


  镜——用来获得被检物的正确放大像,可说是显微镜的心脏。


投影镜——起着把由物镜放大的像进行再次放大的作用,由它造成观察用或摄影用的zui终像。


另外,(ⅰ)今天的电子显微镜,多数都使用双重聚光镜。*镜使电子束变得更为集中;第二镜使电子束投射到样品上。好处是在样品表面只有直径为几个微米或更小的面积上被电子束照射到,在10万倍直接放大率下,即便电子束的能量很大,而样品的温度上升仍然很小,从而可以避免对样品的损伤。


     (ⅱ)在物镜和投射镜之间还装有一个透镜:“中间镜”。调节中间镜的励磁电流,放大率便可在很大范围内(100倍到20万倍之间连续地改变)。中间镜的发明,使直接放大率的可变范围扩展到2000倍的程度。它还可以作为电子衍射照相机,能获得物体微小部分(例如仅仅在直径1微米或更小范围内)的显微衍射像。这是因为它能用在显微镜外部调节的“视野限制光阑”调整光阑的大小,选出放大像的一部分。


所以在物镜、投影镜以外再配置中间镜的所谓“三透镜”系统电子显微镜 ,它不仅是一具电子显微镜,同时也是一具的电子衍射装置。


其他尚需配置:


①镜筒内部必须保持高度真空的真空泵;


②聚光镜前装置能发射电子束的电子枪;


③通常用5-10万伏高压电源和能使电子束的波长单一化的高压电源稳定装置;


④电子透镜用的励磁电源的稳定装置;


⑤观察用的荧光屏和装有感光板的照相室;


⑥样品室的单独抽真空装置;


⑦根据需要也可对样品加装冷却装置或加热装置。


         附图:


         图1.光学显微镜与电子显微镜的比较。


         图2.电视电子显微镜示意图。


4.电子显微镜的观察极限


    按理论计算,电子显微镜分辨本领的极限在3埃左右。此值与2~3种金属原子的大小处于同一数量级,这就意味着用电子显微镜有可能直接看到原子。


    市场上出售的电子显微镜,根据其分辨本领可分为:超高分辨本领级、高分辨本领级、普通分辨本领级三等。


    超高分辨本领级:达到原子水平的分辨本领,可把原子一个一个分别开观察。


    高分辨本领级:只能把数个原子组成的集团作为一个点来观察。


普通分辨本领级:大于20埃的分辨本领。



 


超高分辨本领级


高分辨本领级


普通分辨本领级


分辨本领(埃)


<10(1nm)


10-20


20<


直接放大率


-200,000


-100,000


   -10,000


加速电压(千伏)


100


80-100


50


聚光镜


   双聚光镜


双聚光镜


   单聚光镜


消像散装置


   不可缺


    不可缺


   可缺


电源稳定度


   <10-5


10-4-10-5


<10-4


真空度(毫米汞柱)


10-5


10-4-10-5


-5×10-4


 


实验室获得电子显微镜分辨率本领理论极限值的意义:仅仅考虑电子束和透镜系统而推算出来的。作为实验室必须考虑到镜体的振动,样品漂移的稳定性,外部磁场的影响,样品和透镜光阑的“污染”,合轴调整,消像散等许多因素。


5.电子显微镜的研制成功简历:1932年德国柏林工科大学高压实验室指导老师克诺尔与年轻的研究员鲁斯卡(E.Ruska)以蒲许的理论基础开始探索电子显微镜实现的可能性,用阴极射线示波器装上了能起到透镜作用的线圈,成功地得到了铜网的放大像——*次由电子束形成的电子像。当时加速电压为7万伏,zui初放大率仅12倍。尽管放大率微不足道,但它雄辩地用实验证实了使用电子束和磁场透镜可形成与光学像相同的电子像。从此,电子显微镜法便被正式确立了。


1933年科技工作者提出了用“极靴”来代替前述的长线圈,从而制成了短焦距电子透镜,放大率自然得到了提高。把一个短焦距透镜作为物镜,另一个短焦距透镜作为投影镜,组合制成了二极放大的电子显微镜,鲁斯卡在1933年获得了金属箔和纤维的1万倍的放大像。此时,电子显微镜在放大率上已超过光学显微镜,但有决定意义的分辨本领,还只刚刚达到光学显微镜水平。


1937年柏林工科大学的克劳塞和穆勒继承了鲁斯卡的工作,完成了超越光学显微镜性能的丰功伟业,对细菌和胶体成功地拍了照,获得了250埃的分辨本领。


同年法国西门子公司从柏林工科大学邀来了鲁斯卡,请他专门从事电子显微镜的研制工作。1939年西门子公司制造的分辨本领达到了30埃的世界上zui早的实用电子显微镜进入市场。


应该说,从光学显微镜的发展到电子显微镜的诞生,德国的埃贝(蔡司光学工厂的创立者,*个看出光学显微镜极限和在1878年对未来显微镜的信念和推想的人)以及德国的科技工作者作出了很大贡献。

1951年,美国宾夕法尼亚大学Erwinw.Muller(穆勒)发明了一种具有高放大倍数,高分辨率的显微镜,它是在STM之前*种能够在某些金属表面上观察到单个原子的显微镜,称为场离子显微镜(Field Ion Microscope——FIM)。这种技术利用气体原子成像原理获得样品表面上的原子图像。通常,FIM设置在一个真空度为10-6Pa的高真空腔内,然后在真空腔内充入2×10-2Pa的成像气体He(氦)。气体He在带有+10KV左右的正偏压的针夹样品的末端附近被强电场电离后,受到电场的加速,并沿着电场的方向飞行到阴极荧光屏上形成针尖末端原子的分布图象。它是观察电子源本身的像,完全不需要电子透镜,所以是一种极为简单的显微镜,仅仅由阴极与阳极(环状)构成。能否拍摄出优良照片的关键在于阴极的是否锐利。它的放大率可通过简单的算术运算求得。阳极的孔半径除以阴极的曲率半径,其商即放大率。例如,当阳极的孔半径为100毫米,阴极的曲率半径为10-4毫米时,它的放大率是100万倍。后由于场离子显微镜的阴极当时创造过于麻烦,以及灯丝寿命太短的原因在电子显微镜中极少采用。但由于使用的灯丝可得到极细的电子束,样品上的照射面积缩小,对样品的影响也相应减少,从而可获得照片,给予人的启发是可贵的。近年来,能够直接观察到针尖末端原子分布的场离子显微镜(FIM——Field Ion Microscope)成为分析STM针尖末端原子结构的重要工具