透射电镜下看见的原子像的物理意义是什么？

发布时间：2023-09-22 09:30:18 所属栏目：动态来源：转载

导读： 　　通过透射电镜获取的图像是由薄膜中光的传播和光线的弯曲共同形成的。如果从衍射角度来看的话，那就是说这样的光线会被晶体中的原子重新排列并投射出平直的光线。为什么可以叫做原子像？

　　通过透射电镜获取的图像是由薄膜中光的传播和光线的弯曲共同形成的。如果从衍射角度来看的话，那就是说这样的光线会被晶体中的原子重新排列并投射出平直的光线。为什么可以叫做原子像？此外，微过焦、微欠焦时有时亮点呈原子像而有时暗点。

　　1: (TEM)

　　所谓TEM是由放大镜叠加在照相机上的。这种放大镜放大倍数较大，可达一百万倍。当然了，撇开分辨率不说，放大倍数就是耍流氓了，那TEM分辨率到底如何？答案是it depends。一般来说,TEM的分辨率要在1到2个纳米,STEM更高，但是STEM的成像技术类似于SEM,但用的不是二次电子。我们知道，宏观尺度上成像靠的是可见光，可见光在此的表现的是电磁波，波长范围在390nm到720nm，远比任何宏观尺度小得多，根据瑞丽准则（Rayleigh criterion），可见光的分辨率极限大概在200nm左右，对半导体工业熟悉的人应该对.18 工艺很熟悉，那个时候，光刻机所用的光源还处在可见光的范围。说这么多的意思就是想表明，你要想成像，直觉上必须得有波，没有人的直觉是图像的产生是靠往成像物体上面扔一堆皮球实现的。世界上第一台TEM构建于1931年，这可能是量子力学成立以来的首个对量子力学原理的直接人工利用。德布罗意1924年提出的波粒二象性，1929年获得了诺奖，而仅仅不到十年，把电子作为波来看待的观念就已经应用了起来。运动的电子波长极短，在10-10m这个数量级，所以用电子波作为光源所能达到的分辨率，理论上说，形成原子的像是妥妥的。

　　但在实际应用中，要想形成一个原子的像是异常困难，其原因是TEM内部物镜过于难以做到尽善尽美。光学透镜，历经三四百年之久，所生产之产品已近于完善，再加上TEM中磁透镜的存在，有道是其品质之喻：透过磁透镜观察物体，就像从塑料可乐瓶底部取下来观察人一样。

　　2: 球差

　　不完美透镜所带来的直接后果是引进了令显微学者最为头痛的球差。电子聚焦依靠洛伦兹力，电子受洛伦兹力作用呈旋进聚焦。TEM中有一光轴与光学显微镜上的光轴相同，当偏离光轴后，透镜对光线聚焦能力与接近光轴聚焦能力不相同。当然，从原理上讲，就是想让透过透镜的光线全部集中在焦点。

　　通俗地讲，磁透镜对偏离光轴方向的电子聚焦过强，使偏离光轴方向的电子束超前于光轴方向完成聚焦，即实际聚焦点与光轴连接成线，这些聚焦电子束展开后对平面成像时，本应是小斑点，这时就成为大斑点。无论TEM或SEM，寻求较小的聚光斑都是亘古不变的。尤其是在STEM中，试想，要形成原子像，你总不会希望用一个比原子大的斑去照原子吧？两个原子之间的距离大概0.25nm，你一个斑就0.8nm，那么在不考虑衍射的情况下，相邻的两个斑都会重合了，更不要说加上衍射了。

　　比较牛的电镜现在已经可以校正球差了，有些是单球差校正，有些是双球差校正，

　　那个插满红黄蓝绿管子的方形盒子就是球差校正器。这种电镜的价格是十分昂贵的。

　　除了球差，另外两个比较重要的相差是色差还有像散。相比起球差，这两种相差的校正，技术上面相对容易，课本里面有比较全面的介绍，我就不在这里赘述了。

　　3: 质厚程度和 Z 程度

　　现实中多数时候我们使用的TEM是质厚称度。从直观测量值上看，质厚度大则物厚，物厚则电子传递受阻，由此产生不同的程度。在此基础上，往原子一方考虑，原子序数较大时，因核外电子较多而对入射电子散射较强烈，这称为Z程度，STEM在此基础上能够对单原子进行成像，这就是真正意义上的原子成像，更为根本的应该是原子统计学成像，因为众所周知，真实的原子在不断地振动,STEM不能区分晶格振动的大小，因此成像观察到的只是原子位置期望值。早些时候，TEM 和STEM 是分开的，随着技术的发展，TEM和STEM也集成在了一起，尤其是Titan的出现，不断革新着人们对TEM的应用，最新的TEM，连用于观察低倍成像时用的荧光屏都省略了，直接用CCD在电脑上成像。

　　4: 晶格像和相位衬度

　　我们一般用的TEM mode就是明暗场像，由于球差的作用很强，而且如果要形成真正意义上的原子像的话，色差，像散以至于灰差，在5个埃左右会严重减弱分辨率，所以通常的TEM是无法形成原子像的。

　　但在放大倍数达到一定程度时，就产生了我们图像的相位称度现象。所谓相位称度是指电子波通过样品时相位发生调制的现象，相位称度实际上实质是衍射造成的，严格来说，相位称度与衍射称度相同，因此形成高分辨像时切忌使用物镜光阑。

　　一般在TEM成像分析当中会采用所谓的双光束近似，一个是透射束，一个是衍射束。说实话，这个双光束近似是一个非常非常粗糙的近似，需要满足非常多的条件的时候才可能发生：

　　（1）样品必须是一个比较完美的晶体，没有内应力。

　　（2）入射角度需要非常精细的等于晶体某个晶面的布拉格角。

　　（3）样品和光源要无限大。我们知道，在TEM的电子衍射中，实际可以产生非常多的衍射斑，需要应用Ewald Sphere去分析衍射的。

　　之所以会出现此多衍射斑是因为我们射入的电子束为一近似圆斑，当一具形光源照射晶体时处于倒易空间，倒易空间的点的形状就是入射光束形状的傅里叶变换（由于电子枪tip本身的曲率不完美，所以聚焦形成的斑不会是一个圆斑，三维上也就不是一个球，而是一个棒子形状的椭球，所以倒易空间点的形状也是一个棒子），由此造成倒易空间中各点均为形状斑状,Ewald Sphere和这些斑状交叉时均发生衍射。

　　但是双光束近似的确可以告诉我们相位程度的来源。本质上就是衍射光和透射光产生了干涉，注意，在TEM里面，入射的电子是受到样品晶格周期势的调控的。基本的作用就表现为bloch wave，而bloch wave是一个对样品周期十分敏感的量，沿样品不同方向传播的电子波，就会感受到不同的周期势，从而当电子束从样品底端出来之后，不同点的透射波的相位是不一样的。

　　在这种干涉的条件下，晶体的周期性质就可以通过对电子波的相位的调制表现出来的，从而可以看到高分辨的晶格像。

　　相位衬度为一很细的量度，因此在使用时会发现相位反转为一常态。热飘、样品杆振动、移动样品台、样品自身厚度不均等均可使相位改变。这里更有趣地发现，试样厚度发生改变时，就产生了所谓等倾干涉现象，具体表现为像中明暗条纹。由于等倾干涉现象的存在，使得测量结果的精度大大降低，甚至无法进行正确的分析。

（编辑：温州站长网）

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