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新一代电子显微镜的发展趋势

行业聚焦点中国仪表网2008年10月28日 10:14人气:4442

     一、高性能场发射枪电子显微镜日趋普及和应用。 
    场发射枪透射电镜能够提供高亮度、高相干性的电子光源。因而能在原子--纳米尺度上对材料的原子排列和种类进行综合分析。九十年代中期,全世界只有几十台;现在已猛增至上千台。我国目前也有上百台以上场发射枪透射电子显微镜。

    常规的热钨灯丝(电子)枪扫描电子显微镜,分辨率最高只能达到3.0nm;新一代的场发射枪扫描电子显微镜,分辨率可以优于1.0nm;超高分辨率的扫描电镜,其分辨率高达0.5nm-0.4nm。其中环境描电子显微镜可以做到:真正的“环境”条件,样品可在100%的湿度条件下观察;生物样品和非导电样品不要镀膜,可以直接上机进行动态的观察和分析;可以“一机三用”。高真空、低真空和“环境”三种工作模式。

    二、努力发展新一代单色器、球差校正器,以进一步提高电子显微镜的分辨率。

    球差系数:常规的透射电镜的球差系数Cs约为mm级;现在的透射电镜的球差系数已降低到Cs<0.05mm.

    色差系数:常规的透射电镜的色差系数约为0.7;现在的透射电镜的色差系数已减小到0.1。

    场发射透射电镜、STEM技术、能量过滤电镜已经成为材料科学研究,甚至生物医学必不可少的分析手段和工具.

    物镜球差校正器把场发射透射电镜分辨率提高到信息分辨率.即从0.19nm提高到0.12nm甚至于小于0.1nm.

    利用单色器,能量分辨率将小于0.1eV.但单色器的束流只有不加单色器时的十分之一左右.因此利用单色器的同时,也要同时考虑单色器的束流的减少问题。

    聚光镜球差校正器把STEM的分辨率提高到小于0.1nm的同时,聚光镜球差校正器把束流提高了至少10倍,非常有利于提高空间分辨率。

    在球差校正的同时,色差大约增大了30%左右.因此,校正球差的同时,也要同时考虑校正色差.

    三、电子显微镜分析工作迈向计算机化和网络化。

    在仪器设备方面,目前扫描电镜的操作系统已经使用了全新的操作界面。用户只须按动鼠标,就可以实现电镜镜筒和电气部分的控制以及各类参数的自动记忆和调节。

    不同地区之间,可以通过网络系统,演示如样品的移动,成像模式的改变,电镜参数的调整等。以实现对电镜的遥控作用.

    四、电子显微镜在纳米材料研究中的重要应用。

    由于电子显微镜的分析精度逼近原子尺度,所以利用场发射枪透射电镜,用直径为0.13nm的电子束,不仅可以采集到单个原子的Z-衬度像,而且还可采集到单个原子的电子能量损失谱。即电子显微镜可以在原子尺度上可同时获得材料的原子和电子结构信息。观察样品中的单个原子像,始终是科学界长期追求的目标。一个原子的直径约为1千万分之2-3mm。

所以,要分辩出每个原子的位置,需要0.1nm左右的分辨率的电镜,并把它放大约1千万倍才行。人们预测,当材料的尺度减少到纳米尺度时,其材料的光、电等物理性质和力学性质可能具有独特性。因此,纳米颗粒、纳米管、纳米丝等纳米材料的制备,以及其结构与性能之间关系的研究成为人们十分关注的研究热点。 
    利用电子显微镜,一般要在200KV以上超高真空场发射枪透射电镜上,可以观察到纳米相和纳米线的高分辨电子显微镜像、纳米材料的电子衍射图和电子能量损失谱。如,在电镜上观察到内径为0.4nm的纳米碳管、Si-C-N纳米棒、以及Li掺杂Si的半导体纳米线等。

    在生物医学领域,纳米胶体金技术、纳米硒保健胶囊、纳米级水平的细胞器结构,以及纳米机器人可以小如细菌,在血管中监测血液浓度,清除血管中的血栓等的研究工作,可以说都与电子显微镜这个工具分不开。

    总之:

    扫描电镜、透射电镜在材料科学特别纳米科学技术上的地位日益重要。稳定性、操作性的改善使得电镜不再是少数专家使用的高级仪器,而变成普及性的工具;更高分辨率依旧是电镜发展的最主要方向;扫描电镜和透射电镜的应用已经从表征和分析发展到原位实验和纳米可视加工;聚焦离子束(FIB)在纳米材料科学研究中得到越来越多的应用;FIB/SEM双束电镜是目前集纳米表征、纳米分析、纳米加工、纳米原型设计的最强大工具;矫正型STEM(Titan)的目标:2008年实现0.5?分辨率下的3D结构表征。

    五、低温电镜技术和三维重构技术是当前生物电子显微学的研究热点。

    低温电镜技术和三维重构技术是当前生物电子显微学的研究热点.主要是研讨利用低温电子显微镜(其中还包括了液氦冷台低温电镜的应用)和计算机三维像重构技术,测定生物大分子及其复合体三维结构。如利用冷冻电子显微学测定病毒的三维结构和在单层脂膜上生长膜蛋白二维晶体及其电镜观察和分析。

    当今结构生物学引起人们的高度重视,因为从系统的观点看生物界,它有不同的层次结构:个体?器官?组织?细胞?生物大分子。虽然生物大分子处于最低位置,可它决定高层次系统间的差异。三维结构决定功能结构是应用的基础:药物设计,基因改造,疫苗研制开发,人工构建蛋白等,有人预言结构生物学的突破将会给生物学带来革命性的变革。

    电子显微学是结构测定重要手段之一。低温电子显微术的优点是:样品处于含水状态,分子处于天然状态;由于样品在辐射下产生损伤,观测时须采用低剂量技术(lowdosetechnique);观测温度低,增强了样品耐受辐射能力;可将样品冻结在不同状态,观测分子结构的变化,通过这些技术,使各种生物样品的观察分析结果更接近真实的状态。

    六、高性能CCD相机日渐普及应用于电子显微镜中

    CCD的优点是灵敏度高,噪音小,具有高信噪比。在相同像素下CCD的成像往往通透性、明锐度都很好,色彩还原、曝光可以保证基本准确,摄像头的图像解析度/分辨率也就是我们常说的多少像素,在实际应用中,摄像头的像素越高,拍摄出来的图像品质就越好,对于同一画面,像素越高的产品它的解析图像的能力也越强,但相对它记录的数据量也会大得多,所以对存储设备的要求也就高得多。

    当今的TEM领域,新开发的产品完全使计算机控制的,图象的采集通过高分辨的CCD摄像头来完成,而不是照相底片。数字技术的潮流正从各个方面推动TEM应用以至整个实验室工作的彻底变革。尤其是在图象处理软件方面,许多过去认为不可能的事正在成为现实。
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