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透射電子顯微鏡（探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)之透射電子顯微鏡）
眼睛是人類認(rèn)識客觀世界的第一架“光學(xué)儀器” ，但它的能力卻是有限的，通常認(rèn)為人眼睛的分辨率為0.1 mm 。17世紀(jì)初，光學(xué)顯微鏡（圖1）出現(xiàn) ，可以把細(xì)小的物體放大到千倍以上，分辨率比人眼睛提高了500 倍以上，這也是人類認(rèn)識物質(zhì)世界的一次巨大突破。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，直接觀察到原子是人們一直以來的愿望，電子顯微學(xué)的出現(xiàn)為人們實(shí)現(xiàn)這一夙愿提供了可能。隨著電子顯微學(xué)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，透射電子顯微鏡（圖2）的分辨率已經(jīng)達(dá)到了亞埃量級，電子顯微鏡已經(jīng)成為材料學(xué)領(lǐng)域不可或缺的表征手段。另外，電子顯微學(xué)與納米科學(xué)、生物學(xué)等的結(jié)合，使得電子顯微鏡的功能日漸擴(kuò)大，同時它也促進(jìn)了這些領(lǐng)域的飛速發(fā)展。
圖1 羅伯特·胡克發(fā)明的光學(xué)顯微鏡（圖片來源：百度網(wǎng)）
圖2 HT7700-日立透射電子顯微鏡（圖片來源：百度網(wǎng)）
透射電子顯微鏡的起源與發(fā)展
透射電子顯微鏡起源于20 世紀(jì)20~30 年代。1924 年，德布羅意提出了粒子具有波動性。1926—1927 年， Davisson、Germer 以及Thompson Reid 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電子衍射，從而證明了電子的波動性，因此想到可以用電子代替可見光來制作電子顯微鏡，以克服光波長對分辨率的限制。1926 年，德國學(xué)者Busch提出采用軸對稱的磁場有可能使電子聚焦，為電子顯微鏡的制作提供了理論依據(jù) 。1933年， Ruska 等人做出了世界上第一臺透射電子顯微鏡。1934 年，電子顯微鏡的分辨率已經(jīng)達(dá)到了500? ， Ruska 也因此獲得了1986 年的諾貝爾物理學(xué)獎。1939 年，德國西門子公司造出了世界上第一臺商品透射電子顯微鏡（TEM），分辨率優(yōu)于100 ? 。之后，美國Arizona 洲立大學(xué)物理系的Cowley 教授等定量地解釋了相位襯度像，即所謂高分辨像（高分辨TEM 圖像見圖3），從而建立和完善了高分辨電子顯微學(xué)的理論和技術(shù) 。高分辨電子顯微術(shù)能夠使大多數(shù)晶體中的原子列成像，目前高分辨電子顯微術(shù)已經(jīng)是電鏡中普遍使用的方法，其分辨率已經(jīng)達(dá)到了1~2 ? 。
圖3 高分辨TEM 圖像（圖片來源：百度網(wǎng)）
除了波長限制了透射電鏡的分辨率外，透射電鏡的像差，包括色差、球差、像散和畸變，也使得透射電鏡的分辨率難以突破1 ? 。20 世紀(jì)末，球差校正器研制成功，球差校正電子顯微鏡減小了非局域化效應(yīng)的影響，進(jìn)一步提高了透射電鏡的分辨率，已經(jīng)達(dá)到了亞埃量級。隨著球差校正電子顯微鏡應(yīng)用的普及，球差校正電子顯微學(xué)在逐漸形成和發(fā)展。此外，近20 年來，隨著電子顯微術(shù)的不斷發(fā)展，掃描透射電子顯微鏡術(shù)（STEM ，其圖像見圖4）也成為了廣泛應(yīng)用的表征手段。相比于傳統(tǒng)的高分辨相位襯度成像技術(shù) ，掃描透射電鏡具有分辨率高，對化學(xué)成分敏感，圖像直觀容易解釋等優(yōu)點(diǎn) 。其中高分辨掃描透射電子顯微鏡可以直接獲得原子分辨率的Z 襯度像，結(jié)合X 射線能譜和電子損失譜，還可以獲得原子分辨率的元素分布圖和單個原子列的能量損失譜，因此可以在一次實(shí)驗(yàn)中得到原子分辨率的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和電子結(jié)構(gòu)等信息。
圖4 富鋰材料表面STEM 圖像
透射電子顯微鏡的應(yīng)用
透射電鏡具有分辨率高、可與其他技術(shù)聯(lián)用的優(yōu)點(diǎn) ，在材料學(xué)、物理、化學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用。
材料的微觀結(jié)構(gòu)對材料的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等物理化學(xué)性質(zhì)起著決定性作用。透射電鏡作為材料表征的重要手段，不僅可以用衍射模式來研究晶體的結(jié)構(gòu) ，還可以在成像模式下得到實(shí)空間的高分辨像，即對材料中的原子進(jìn)行直接成像，直接觀察材料的微觀結(jié)構(gòu) 。電子顯微技術(shù)對于新材料的發(fā)現(xiàn)也起到了巨大的推動作用， D.Shechtman 借助透射電鏡發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶，重新定義了晶體，豐富了材料學(xué)、晶體學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)的內(nèi)涵， D.Shechtman 也因此獲得了2011年諾貝爾化學(xué)獎。
在物理學(xué)領(lǐng)域中，電子全息術(shù)能夠同時提供電子波的振幅和相位信息，從而使這種先進(jìn)的顯微分析方法在磁場和電場分布等與相位密切相關(guān)的研究上得到廣泛應(yīng)用。目前，電子全息已經(jīng)應(yīng)用在測量半導(dǎo)體多層薄膜結(jié)構(gòu)器件的電場分布、磁性材料內(nèi)部的磁疇分布等方面。中國科學(xué)院物理研究所的張喆和朱濤等利用高分辨電子顯微術(shù)和電子全息方法研究了Co 基磁性隧道結(jié)退火熱處理前后的微觀結(jié)構(gòu)和相應(yīng)勢壘層結(jié)構(gòu)的變化，研究結(jié)果表明，退火處理可以明顯地改善勢壘層和頂電極、底電極之間的界面質(zhì)量，改進(jìn)勢壘本身的結(jié)構(gòu) 。
在化學(xué)領(lǐng)域，原位透射電鏡因其超高的空間分辨率為原位觀察氣相、液相化學(xué)反應(yīng)提供了一種重要的方法。利用原位透射電子顯微鏡進(jìn)一步理解化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理和納米材料的轉(zhuǎn)變過程，以期望從化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)理解、調(diào)控和設(shè)計(jì)材料的合成。目前，原位電子顯微技術(shù)已在材料合成、化學(xué)催化、能源應(yīng)用和生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。透射電鏡可以在極高的放大倍數(shù)下直接觀察納米顆粒的形貌和結(jié)構(gòu) ，是納米材料最常用的表征手段之一。天津大學(xué)的杜希文和美國Brookhaven 國家實(shí)驗(yàn)室的Houlin L.xin 等用原位透射電鏡觀察了Co Ni雙金屬納米粒子在氧化過程中形貌的變化，充分混合的Co、Ni 合金粒子經(jīng)過氧化后， Co 和Ni 發(fā)生了空間上的部分分離，并在理論上對該現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。
在生物學(xué)領(lǐng)域， X 射線晶體學(xué)技術(shù)和核磁共振常被用來研究生物大分子的結(jié)構(gòu) ，已經(jīng)能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)的位置精度確定到0.2 nm ，但是其各有局限。X 射線晶體學(xué)技術(shù)基于蛋白質(zhì)晶體，研究的常常是分子的基態(tài)結(jié)構(gòu) ，而對解析分子的激發(fā)態(tài)和過渡態(tài)無能為力。生物大分子在體內(nèi)常常發(fā)生相互作用并形成復(fù)合物而發(fā)揮作用，這些復(fù)合物的結(jié)晶化非常困難。核磁共振雖然能夠獲得分子在溶液中的結(jié)構(gòu)并且能夠研究分子的動態(tài)變化，但主要適合用來研究分子量較小的生物大分子。近年來冷凍電鏡技術(shù)突破了冷凍成像和圖像處理瓶頸，發(fā)展成為當(dāng)今結(jié)構(gòu)生物學(xué)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù) 。它可以以快速、高效、簡易、高分辨率解析高度復(fù)雜的超大生物分子結(jié)構(gòu) ，在很大程度上超越了傳統(tǒng)的X 射線晶體學(xué)技術(shù) 。清華大學(xué)施一公研究組利用酵母細(xì)胞內(nèi)源性蛋白提取獲得了性質(zhì)良好的樣品，利用單顆粒冷凍電子顯微鏡技術(shù) ，解析了酵母剪接體近原子水平的高分辨率三維結(jié)構(gòu) ，闡述了剪接體對信使RNA前體執(zhí)行剪接的工作機(jī)理。
透射電子顯微鏡的發(fā)展方向
目前，透射電子顯微術(shù)有幾個重要的發(fā)展方向。第一，分辨率的提升。分辨率一直是透射電鏡發(fā)展的目標(biāo)和方向，發(fā)展新一代單色器和球差校正器，進(jìn)一步提高透射電鏡的能量分辨率和空間分辨率，尤其是對低壓電鏡。第二，發(fā)展原位透射電鏡技術(shù) 。原位透射電鏡在材料合成、化學(xué)催化、生命科學(xué)和能源材料領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，可以通過在原子尺度下實(shí)時觀察和控制氣相反應(yīng)和液相反應(yīng)的進(jìn)行，從而研究反應(yīng)的本質(zhì)機(jī)理等科學(xué)問題。第三，更加廣泛的應(yīng)用在生物大分子結(jié)構(gòu)研究中。冷凍電鏡在生物大分子結(jié)構(gòu)研究中的廣泛應(yīng)用，將推動冷凍電鏡技術(shù)的不斷發(fā)展。冷凍電鏡在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視，成為連接生物大分子和細(xì)胞的紐帶和橋梁。
從透射電子顯微鏡的誕生到今天的八十多年來，人們借助透射電鏡解決了很多科學(xué)難題。透射電鏡也在不斷發(fā)展進(jìn)步，功能日益全面，性能日益改善，雖然在發(fā)展過程中還存在一些問題和挑戰(zhàn) ，相信在眾科研工作者的共同努力下，問題終將解決，透射電鏡的各項(xiàng)技術(shù)也將進(jìn)一步發(fā)展和突破。
【透射電子顯微鏡探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)之透射電子顯微鏡】

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