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扫描电镜和透射电镜:原理与应用

2022-4-6 23:04| 发布者: everydayness| 查看: 337| 评论: 0

摘要: 电子显微镜以其令人难以置信的高空间分辨率开辟了材料科学细节的新世界。电子显微镜技术的两种主要类型是扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。这两种方法都能够实现亚埃空间分辨率,甚至可以用于对表面上 ...
           电子显微镜以其令人难以置信的高空间分辨率开辟了材料科学细节的新世界。电子显微镜技术的两种主要类型是扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。这两种方法都能够实现亚埃空间分辨率,甚至可以用于对表面上的单个原子进行成像。

         电子显微镜替代为光学显微镜的主要原因是后者使用可见光,因此具有的分辨率限制。可见光的衍射极限意味着可实现的最佳空间分辨率约为200纳米。虽然现在的超分辨率方法可以超过这个水平,但其中许多方法需要使用特定的荧光体标签——这在一定程度上限制了它们的通用性——SEM和TEM没有这样的标签要求。

扫描电子显微镜
         扫描电子显微镜的工作过程如下:首先使用电子枪产生一束电子,然后用一堆电子透镜对这些电子进行严格的聚焦。由于电子都带有相同的负电荷,在电子显微镜中的一大挑战是保持聚焦电子束方向时存在的电荷相互排斥。拥有大量电子的强电子束可以很好地照亮样品,同时空间电荷效应也更加显著。
         一旦电子束产生并聚焦,它就会从仪器的柱子到达样品上。将样品安装到载物台上,并检测反向散射和二次电子。一些显微镜还可以检测与样品的电子相互作用过程中产生的X射线荧光。由于检测到的X射线的能量具有元素特异性,因此可以用这些能量构建样品元素组成的轮廓。
         电子束可以在样品的表面扫过,以获得更大的扫描区域,并建立起一个更完整的样品的图像。用于SEM的要求充分的清洁,去除任何可能干扰成像过程的污染物,确保没有水存在,因为在高真空条件下,水也会覆盖所关注的区域。在SEM中使用的样品必须是相对耐用的,因为它们用在高真空条件下。

SEM-应用
         材料表征一直是SEM的一个巨大应用领域。这包括更传统的金属材料,如金表面,但也包括柔软的有机材料,如聚合物。
         SEM用于确定不同的生物聚合物混合物如何相互作用和行为,以确定哪些组合物可能有助于开发新的可生物降解材料。
         SEM的高空间分辨率使其成为各种材料制造和质量控制的常用工具,特别是用于制造高度管制的设备,如用于医疗保健的设备。 如果显微镜具有探测X射线的能力,SEM可以用来识别表面缺陷,并检查是否存在元素污染物。
         这种高空间分辨率显微镜另一个优势是在微电子和依赖使用微观组件的行业中的应用。对于化妆品行业来说,许多产品被配制成颗粒,SEM可以用来检查典型的颗粒尺寸,以及表征它们的表面特征。这可以确保所有合成的颗粒符合相同的均匀性公差标准,并确保最终产品将具有预期的特性。

透射电子显微镜
         SEM的补充,或者说另一种选择,是透射电子显微镜(TEM)。透射电镜的原理与扫描电镜的许多原理相同。
         透射电镜同样利用由电子枪产生的明亮的电子束,然后聚焦到样品上。这两种技术的关键区别在于,在扫描电镜实验中,一旦样品被辐照,样品中发射的电子就会被检测出来。在TEM中,电子束直接穿过感兴趣的分析物,而传输的变化则被记录下来。
         TEM比SEM的优势在于进一步提高了图像分辨率。通过穿过样品,TEM可以恢复物体内部结构更多信息,而不像SEM那样只使用散射电子。

TEM - 应用
         虽然两种方法都使用相同的电子生成和控制方法,但TEM的样品制备和要求却非常不同。TEM需要薄薄的样品层(通常<150纳米),以保证有足够数量的电子可被传输,虽然这意味着它对样品内部的东西很敏感,但TEM可以重现更平坦的、类似于二维的图像,而SEM可以用于完整的重建。
         TEM是检查固体材料结构的一个非常强大的工具,同样的也可用于组织样品。因为它可以识别细胞壁上的特征**,**甚至被用来识别生物医学样品中的抗原以诊断某些细菌的存在。它是一种用在高度结晶结构的流行技术,特别是在对高空间分辨率要求严格的纳米技术应用中。

References and Further Reading
1.Smith, D. J. (2008). Ultimate resolution in the electron microscope? Materials Today, 11, 30–38. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(09)70005-7
2.Huang, B. (2010). Super-resolution optical microscopy: multiple choices. Current Opinion in Chemical Biology, 14(1), 10–14. https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2009.10.013
3.Rydz, J., Šišková, A., & Andicsová Eckstein, A. (2019). Scanning Electron Microscopy and Atomic Force Microscopy: Topographic and Dynamical Surface Studies of Blends, Composites, and Hybrid Functional Materials for Sustainable Future. Advances in Materials Science and Engineering, 2019. https://doi.org/10.1155/2019/6871785
4.Goldstein, J. I., Newbury, D. E., Michael, J. R., Ritchie, N. W., Scott, J. H. J., & Joy, D. C. (2017). Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis. Springer.
5.Arenal, F. L., A., D., & R., M. (2015). Advanced transmission electron microscopy. Springer


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