電子顯微鏡的工作原理，他為甚麼可以看到納米級別的圖像

人類目前已經可以設計出三納米的晶體管,這些晶體管跟人類的DNA細胞一樣小。 這些納米級的晶體管的圖像是怎麼拍出來的呢? 這就要用到電子顯微鏡,它改變了人類看待微觀和納米世界的方式。 這是一隻美麗的蝴蝶,當我們用光學顯微鏡放大它的翅膀時,可以看到它是由微小的重疊鱗片組成的。 但是當我們用電子顯微鏡放大時,可以清楚地看到每個鱗片的形狀。 如果進一步放大,我們能看到很多令人難以置信的紋理。 其實在過去的60年裏,電子顯微鏡一直用於輔助開發越來越小的晶體管。 這種顯微鏡可以將圖像放大數百萬倍,從而能夠捕捉到單個原子的圖像。 電子顯微鏡主要分爲兩種類型,掃描電子顯微鏡是用來觀察表面圖像的。 比如這隻蝴蝶的翅膀,掃描電子顯微鏡的最大分辨率約爲1納米。 另一種是透射電子顯微鏡,它通常用來拍攝材料內部結構的圖像。 就像X光機拍攝我們身體內部的骨骼一樣,透射電子顯微鏡通常比掃描電子顯微鏡更復雜。 分辨率高達50匹米,大約是氫原子的大小。 我們重點關注透射電子顯微鏡,因爲它更常用於開發尖端科技。 透射電子顯微鏡有一個場發射源的設備,主要用於產生自由電子。 發射源裏面有一個烏針,下面是一個提取器。 提取器連接着5000伏的電壓,因此在烏針中帶負電的電子被拉向提取器,並不斷從烏針中釋放出來。 接下來就是將電子加速到光速的70%。 這裏有個疑問,爲什麼不直接用光,而要用電子呢? 這是因爲可見光的物理放大倍數被限制在2000倍左右,而電子卻可以放大200多萬倍。 爲什麼會有這個限制呢? 我們回到蝴蝶翅膀上來,這張圖片是用照相機拍攝的,這張圖片是用光學顯微鏡拍攝的,這張是用電子顯微鏡拍攝的。 我們取出樣本中相距100納米的兩個特徵出來,由於可見光的平均波長爲540納米,它比100納米的距離要大。 當可見光照射到這兩個特徵上時,會發生光的干涉。 樣本的兩個特徵的距離越接近可見光的波長,那麼幹涉圖案會使兩個特徵看起來越模糊。 簡而言之,可見光無法真正分辨距離小於300納米的特徵,但是在電子顯微鏡中,電子被加速到光速的70%,波長爲2.5匹米,比可見光波長小20萬倍左右,理論上可以分辨出僅基於1匹米的特徵。 但是電子怎麼加速到光速的70%呢? 爲了做到這一點,在發射源的下面,使用了一系列的金屬環,這些金屬環被劃分成成千上萬個。 這些帶正電的環,利用靜電吸引帶負電的電子,從而通過金屬環的中心進行加速,這個是真空棒,被用來去除所有的大氣分子,從而產生類似於外太空的真空環境。 如果沒有真空棒,快速移動的電子在與空氣分子碰撞時會向隨機方向散射,從而破壞了樣本的圖像。 接下來就是磁透鏡,它被分爲三部分,分別爲聚光鏡、物鏡和投影鏡。 聚光鏡的作用是將來自光源的電子聚焦並往下面的物鏡投射。 接下來是物鏡,它有一個放置樣品的支架,支架通過氣閘插入真空室,前面聚焦的電子會照射到支架的樣品上。 爲了方便看到樣品的各個角度的細節,支架可以在XYZ三個方向上移動,或者沿着X軸轉動,又或者沿着Y軸轉動。 然後電子束穿過樣品,樣品由不同元素和密度的材料組成,使電子以不同的方式散射,從而在傳送的電子束上刻印出圖像。 物鏡通常被認爲是顯微鏡的心臟,它可以將樣品先放大40倍,以獲得最終分辨率,然後投影鏡鏡頭將圖像再放大5萬倍。 現在有個問題,磁透鏡看起來跟一般的顯微鏡或相機鏡頭有很大區別,它是如何放大樣本的呢? 其實鏡頭裏面都是一圈圈的線圈,線圈能產生磁場,磁場被用來改變電子的軌跡,這些電子會受到洛倫茲力。 簡單來說就是,電子以遠離光軸的速度運動,它就會被磁場強迫向中心移動,因此磁透鏡就能像凸透鏡一樣,將所有的電子聚焦到一個焦點上。 在投影鏡的下面是觀察室,裏面有一個熒光屏幕,它有一層特殊的塗層,當電子擊中它時會發光。 旁邊有一個攝像頭用來觀察屏幕,當拍攝更高分辨率圖像時,熒光屏幕會一開,然後電子束來到具有更高分辨率和動態範圍更敏感的CMOS照相機。 爲什麼要使用這個熒光屏,主要目的是用來確保電子束和磁透鏡的正確設置,因爲不正確聚焦的光束可能會損壞敏感的CMOS相機。 除了這些核心設備,透射電子顯微鏡周邊還有非常多的模塊,它們相輔相成,從而讓人類在微觀世界也可以自由馳騁。