電子顯微鏡的發(fā)展史

幾百年來，人們一直用光學(xué)顯微鏡觀察微觀和探索眼睛看不到的世界，與19世紀(jì)的 顯微鏡相比，現(xiàn)在我們使用的普通光學(xué)顯微鏡功能多、自動(dòng)化程度高、放大倍數(shù)高。光學(xué)顯微鏡已經(jīng)達(dá)到了分辨率的極限，對于使用可見光作為光源的顯微鏡，它的分辨率只能達(dá) 到光波的半波長左右，它的分辨率極限是0.2^，任何小于0. 2pLm的結(jié)構(gòu)都沒法識別出 來，使人類的探索受到了限制。因此，提高顯微鏡分辨率的途徑之一是設(shè)法減小光的波長。

進(jìn)入20世紀(jì)，光電子技術(shù)得到了長足的發(fā)展，采用電子束來代替光是很好的主意。 根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波理論，運(yùn)動(dòng)的電子具有波動(dòng)性，而且速度越快，它的“波長”越 短。如果能把電子的速度加到足夠快，并且匯聚它，有可能用來放大物體。當(dāng)電子的速 度加到很高時(shí)，電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到納米級(10-9m)，使很多在可見光下看不見 的物體在電子顯微鏡下顯現(xiàn)了原形。因此，電子顯微鏡是20世紀(jì)*重要的發(fā)明之一兇。

1938年德國工程師Max KnoU和Ernst Ruska制造出了世界上*臺透射電子顯微鏡 ，透射電子顯微術(shù)是利用穿透薄膜試樣 的電子束進(jìn)行成像或微區(qū)分析的一種電子顯微術(shù)?？色@得高度局部化的信息，是分析晶體 結(jié)構(gòu)、晶體不完整性、微區(qū)成分的綜合技術(shù)。

1952年英國工程師制造岀了*臺掃描電子顯微鏡(SEM)O掃描 電子顯微術(shù)電子束以光柵狀方式照射試樣表面，分析入射電子和試樣表面物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種信息來研究試樣表面微區(qū)形貌、成分和晶體學(xué)性質(zhì)的一種電子顯微技術(shù)。

1983年IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家發(fā)明了所 謂的掃描隧道顯微鏡。這種顯微鏡比電子顯微鏡更超前，它*失去了傳統(tǒng)顯微 鏡的概念。隧道掃描顯微術(shù)是利用量子隧道效應(yīng) 的表面研究技術(shù)。能實(shí)時(shí)、原位觀察樣品*表面層的局域結(jié)構(gòu)信息，能達(dá)到原子級的高分辨率⑴。它沒有鏡頭，使用一根探針，探針和物體之間加上電壓。如果探針距離物體表面 很近，大約在納米級的距離上，隧道效應(yīng)*會起作用。電子會穿過物體與探針之間的空 隙，形成一股微弱的電流。如果探針與物體的距離發(fā)生變化，這股電流也會相應(yīng)改變。這 樣，通過測量電流我們*能知道物體表面的形狀，分辨率可以達(dá)到單個(gè)原子的級別。電子 顯微鏡的分辨率已達(dá)到0.l~0.3nm,即與金屬點(diǎn)陣中原子間距相當(dāng)。

幾十年來，隨著新型電子顯微鏡的問世，形成了透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子 顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、掃描隧道顯微鏡(STM)、場離子顯微鏡 (FTM)、掃描激光聲成像顯微鏡(SPAM)等電子顯微鏡家族。并在EBSD、探針、激光 探針、俄歇能譜儀等表面分析技術(shù)的配合下，使金相分析技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的階段。電子 金相技術(shù)可對金屬材料的斷口形貌、組織結(jié)構(gòu)以及微區(qū)化學(xué)成分等進(jìn)行綜合分析與測定, 進(jìn)而對金屬材料及其工件的質(zhì)量控制、失效分析、新材料與工藝的研制等發(fā)揮著十分重要的作用。