探索物質結構之透射電子顯微鏡

眼睛是人類認識客觀世界的第一架“光學儀器”，但它的能力卻是有限的，通常認為人眼睛的分辨率為0.1 mm。17世紀初，光學顯微鏡（圖1）出現，可以把細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，這也是人類認識物質世界的一次巨大突破。隨著科學技術的不斷發展，直接觀察到原子是人們一直以來的愿望，電子顯微學的出現為人們實現這一夙愿提供了可能。隨著電子顯微學的不斷發展和進步，透射電子顯微鏡（圖2）的分辨率已經達到了亞埃量級，電子顯微鏡已經成為材料學領域不可或缺的表征手段。另外，電子顯微學與納米科學、生物學等的結合，使得電子顯微鏡的功能日漸擴大，同時它也促進了這些領域的飛速發展。

圖1  羅伯特·胡克發明的光學顯微鏡（圖片來源：百度網）

圖2  HT7700-日立透射電子顯微鏡（圖片來源：百度網）

透射電子顯微鏡的起源與發展

透射電子顯微鏡起源于20 世紀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 實驗發現了電子衍射，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。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達到了500?，Ruska 也因此獲得了1986 年的諾貝爾物理學獎。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），分辨率優于100 ?。之后，美國Arizona 洲立大學物理系的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的理論和技術。高分辨電子顯微術能夠使大多數晶體中的原子列成像，目前高分辨電子顯微術已經是電鏡中普遍使用的方法，其分辨率已經達到了1~2 ?。

圖3  高分辨TEM 圖像（圖片來源：百度網）

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的影響，進一步提高了透射電鏡的分辨率，已經達到了亞埃量級。隨著球差校正電子顯微鏡應用的普及，球差校正電子顯微學在逐漸形成和發展。此外，近20 年來，隨著電子顯微術的不斷發展，掃描透射電子顯微鏡術（STEM，其圖像見圖4）也成為了廣泛應用的表征手段。相比于傳統的高分辨相位襯度成像技術，掃描透射電鏡具有分辨率高，對化學成分敏感，圖像直觀容易解釋等優點。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，因此可以在一次實驗中得到原子分辨率的結構、化學成分和電子結構等信息。

圖4  富鋰材料表面STEM 圖像

透射電子顯微鏡的應用

透射電鏡具有分辨率高、可與其他技術聯用的優點，在材料學、物理、化學和生物學等領域有著廣泛地應用。  

材料的微觀結構對材料的力學、光學、電學等物理化學性質起著決定性作用。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構，還可以在成像模式下得到實空間的高分辨像，即對材料中的原子進行直接成像，直接觀察材料的微觀結構。電子顯微技術對于新材料的發現也起到了巨大的推動作用，D.Shechtman 借助透射電鏡發現了準晶，重新定義了晶體，豐富了材料學、晶體學、凝聚態物理學的內涵，D.Shechtman 也因此獲得了2011年諾貝爾化學獎。 

在物理學領域中，電子全息術能夠同時提供電子波的振幅和相位信息，從而使這種先進的顯微分析方法在磁場和電場分布等與相位密切相關的研究上得到廣泛應用。目前，電子全息已經應用在測量半導體多層薄膜結構器件的電場分布、磁性材料內部的磁疇分布等方面。中國科學院物理研究所的張喆和朱濤等利用高分辨電子顯微術和電子全息方法研究了Co 基磁性隧道結退火熱處理前后的微觀結構和相應勢壘層結構的變化，研究結果表明，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量，改進勢壘本身的結構。

在化學領域，原位透射電鏡因其超高的空間分辨率為原位觀察氣相、液相化學反應提供了一種重要的方法。利用原位透射電子顯微鏡進一步理解化學反應的機理和納米材料的轉變過程，以期望從化學反應的本質理解、調控和設計材料的合成。目前，原位電子顯微技術已在材料合成、化學催化、能源應用和生命科學領域發揮著重要作用。透射電鏡可以在極高的放大倍數下直接觀察納米顆粒的形貌和結構，是納米材料最常用的表征手段之一。天津大學的杜希文和美國Brookhaven 國家實驗室的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 合金粒子經過氧化后，Co 和Ni 發生了空間上的部分分離，并在理論上對該現象進行了解釋。

在生物學領域，X 射線晶體學技術和核磁共振常被用來研究生物大分子的結構，已經能夠將蛋白質的位置精度確定到0.2 nm，但是其各有局限。X 射線晶體學技術基于蛋白質晶體，研究的常常是分子的基態結構，而對解析分子的激發態和過渡態無能為力。生物大分子在體內常常發生相互作用并形成復合物而發揮作用，這些復合物的結晶化非常困難。核磁共振雖然能夠獲得分子在溶液中的結構并且能夠研究分子的動態變化，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突破了冷凍成像和圖像處理瓶頸，發展成為當今結構生物學廣泛應用的新興技術。它可以以快速、高效、簡易、高分辨率解析高度復雜的超大生物分子結構，在很大程度上超越了傳統的X 射線晶體學技術。清華大學施一公研究組利用酵母細胞內源性蛋白提取獲得了性質良好的樣品，利用單顆粒冷凍電子顯微鏡技術，解析了酵母剪接體近原子水平的高分辨率三維結構，闡述了剪接體對信使RNA前體執行剪接的工作機理。

透射電子顯微鏡的發展方向

目前，透射電子顯微術有幾個重要的發展方向。第一，分辨率的提升。分辨率一直是透射電鏡發展的目標和方向，發展新一代單色器和球差校正器，進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，發展原位透射電鏡技術。原位透射電鏡在材料合成、化學催化、生命科學和能源材料領域有著重要應用，可以通過在原子尺度下實時觀察和控制氣相反應和液相反應的進行，從而研究反應的本質機理等科學問題。第三，更加廣泛的應用在生物大分子結構研究中。冷凍電鏡在生物大分子結構研究中的廣泛應用，將推動冷凍電鏡技術的不斷發展。冷凍電鏡在生物學領域的應用越來越受到重視，成為連接生物大分子和細胞的紐帶和橋梁。

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難題。透射電鏡也在不斷發展進步，功能日益全面，性能日益改善，雖然在發展過程中還存在一些問題和挑戰，相信在眾科研工作者的共同努力下，問題終將解決，透射電鏡的各項技術也將進一步發展和突破。