显微镜毕业论文

第一章绪论本章主要介绍显微镜发展过程及研究意义，及本文主要工作。1.1显微镜发展过程及研究意义本章主要介绍了显微镜的历史发展过程及研究意义。1.1.1显微镜的历史发展显微镜是人类这个时期最伟大的发明物之一。在它发明出来之前，人类关于周围世界的观念局限在用肉眼，或者靠手持透镜帮助肉眼所看到的东西。显微镜把一个全新的世界展现在人类的视野里。人们第一次看到了数以百计的“新的”微小动物和植物，以及从人体到植物纤维等各种东西的内部构造。最早的显微镜是16世纪末期在荷兰制造出来的。发明者可能是一个叫做札恰里亚斯·詹森的荷兰眼镜商，或者另一位荷兰科学家汉斯-利铂希，他们用两片透镜制作了简易的显微镜，但并没有用这些仪器做过任何重要的观察。后来有两个人开始在科学上使用显微镜。第一个是意大利科学家伽利略。他通过显微镜观察到一种昆虫后，第一次对它的复眼进行了描述。第二个是荷兰亚麻织品商人安东尼·凡·列文虎克（1632年-1723年），他自己学会了磨制透镜。他第一次描述了许多肉眼所看不见的微小植物和动物。1931年，恩斯特·鲁斯卡通过研制电子显微镜，使生物学发生了一场革命。这使得科学家能观察到像百万分之一毫米那样小的物体。1986年他被授予诺贝尔奖。扫描探针显微(SPM)经过近30年的发展已经应用到科学研究的各个方面。为适应不同研究的需要，扫描探针显微镜本身的发展也非常迅速。如其中原子力显微镜（AFM)从发明初期的单一的接触工作模式发展到包括可以测量粘弹性的相位模式在内的多种工作模式，同时通用型方面也高度发展，已经形成了一个庞大的高度自动化的扫描探针显微镜的家族。在这个家族中，严格环境控制的扫描探针显微镜的出现，很好的解决了各种条件下对样品的原位观察，环控化扫描探针显微镜的发展已经引起了人们的足够重视，必将成为扫描探针显微镜发展的一个重要方向。新近出现的各种显微镜集成的扫描探针显微镜系列是这个家族中的新成员，这个成员可以同时完成大范围、高分辨和精确定位等各种研究，必将在半导体制造厂的异物检查、金属和绝缘体等表面测定以及生物大分子研究等领域发挥重要作用。扫描探针显微镜的发明和发展促进了一门新兴的高科技——纳米科学技术的诞生，宣告一个科技新纪元，纳米科技时代已经来临。多少年来，人们为提高显微镜的分辨能力和成像衬度付出了艰辛的劳动，随着计算机技术和工具的不断进步，光学设计的理论和方法也在不断改进，加上原材料性能的提高，工艺和检测手段的不断完善，观察方法的创新，使光学显微镜的成像质量已经接近衍射极限的完善程度，人们将用标本染色、暗场、相衬、荧光、干涉、偏光等观察技术，使得光学显微镜已能适应形形色色标本的研究，虽然近年来电子显微镜，超声显微镜等放大成像仪器先后问世，在某些方面具有优势的性能，但在廉价、方便、直观、特别是适合生物活体的研究等方面仍无法与光学显微镜匹敌，光学显微镜仍然牢固地占据着自己的阵地。另一方面，与激光、计算机、新材料技术、信息技术相结合，古老的光学显微镜正焕发青春，显示了旺盛的生命力，数码显微镜、激光共焦扫描显微镜、近场扫描显微镜、双光子显微镜及具有各种新的功能或能适应各种新的环境条件的仪器层出不穷，更加扩大了光学显微镜的应用领域，作为最新的例子。从火星探测车上传回的岩层显微图片是多么令人振奋！我们完全可以相信，光学显微镜将会以更新的姿态，造福人类。由于近场光学显微镜能克服传统光学显微镜低分辨率以及扫描电子显微镜和扫描隧道显微镜对生物样品产生损伤等缺点，因此得到了越来越广泛的应用，特别是在生物医学以及纳米材料和微电子学等领域。高分辨率光学成像由于近场光学显微镜对所观察的生物样品无损伤等优点，因此被广泛应用于生物样品的观察，成为探索生物大分子活动奥秘的光学手段，给生物学家们带来强有力的实验武器。利用近场光学显微镜，已在生物学研究所涉及的许多领域展开了工作，不仅有静态的形貌像的观察研究，如细胞的有丝分裂，染色体的分辨与局域荧光，原位DNA，RNA的测序，基因识别等，还有利用观察形貌像随时间变化的动力学过程的研究。自从1933年德国Ruska和Knoll等人在柏林制成第一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世。如透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、场电子显微镜（FEM）、场离子显微镜（FIM）、低能电子衍射（LEED）、俄歇谱仪（AES）、光电子能谱（ESCA）、电子探针等。这些技术在表面科学各领域的研究中起着重要的作用。扫描电镜是一种多功能的仪器、具有很多优越的性能、是用途最为广泛的一种仪器．早期的透射电子显微镜功能主要是观察样品形貌，后来发展到可以通过电子衍射原位分析样品的晶体结构。具有能将形貌和晶体结构原位观察的两个功能是其它结构分析仪器所不具备的。1.2本文主要工作本文主要通过对电子显微镜及扫描探针显微镜结构和原理的研究，能够让大家了解这两种显微镜技术的物理原理及其应用。第二章光学显微镜本章简单介绍了光学显微镜的各种情况。2.1光学显微镜简介光学显微镜俗称光镜，是一种以可见光为照明光源的显微镜。光学显微镜是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。目前主要应用于细胞生物学方面。光学显微镜一般由载物台、聚光照明系统、物镜，目镜和调焦机构组成。载物台用于承放被观察的物体。利用调焦旋钮可以驱动调焦机构，使载物台作粗调和微调的升降运动，使被观察物体调焦清晰成象。聚光照明系统由灯源和聚光镜构成，聚光镜的功能是使更多的光能集中到被观察的部位。照明灯的光谱特性必须与显微镜的接收器的工作波段相适应。物镜位于被观察物体附近，是实现第一级放大的镜头。在物镜转换器上同时装着几个不同放大倍率的物镜，转动转换器就可让不同倍率的物镜进入工作光路，物镜的放大倍率通常为5～100倍。物镜是显微镜中对成象质量优劣起决定性作用的光学元件，一般变倍比为6.3：1，变倍范围0.8X-5X。常用的有能对两种颜色的光线校正色差的消色差物镜；质量更高的还有能对三种色光校正色差的复消色差物镜；能保证物镜的整个像面为平面，以提高视场边缘成像质量的平像场物镜。高倍物镜中多采用浸液物镜，即在物镜的下表面和标本片的上表面之间填充折射率为1.5左右的液体，它能显著的提高显微观察的分辨率。目镜是位于人眼附近实现第二级放大的镜头，镜放大倍率通常为5～20倍。目镜可分为视场较小的普通目镜，和视场较大的大视场目镜(或称广角目镜)两类。载物台和物镜两者必须能沿物镜光轴方向作相对运动以实现调焦，获得清晰的图像。用高倍物镜工作时，容许的调焦范围往往小于微米，所以显微镜必须具备极为精密的微动调焦机构。显微镜放大倍率的极限即有效放大倍率，显微镜的分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的最小间距。分辨率和放大倍率是两个不同的但又互有联系的概念。当选用的物镜数值孔径不够大，即分辨率不够高时，显微镜不能分清物体的微细结构，此时即使过度地增大放大倍率，得到2.1光学显微镜结构的也只能是一个轮廓虽大但细节不清的图像，称为无效放大倍率。反之如果分辨率已满足要求而放大倍率不足，则显微镜虽已具备分辨的能力，但因图像太小而仍然不能被人眼清晰视见。所以为了充分发挥显微镜的分辨能力，应使数值孔径与显微镜总放大倍率合理匹配。聚光照明系统是对显微镜成像性能有较大影响，但又是易于被使用者忽视的环节。它的功能是提供亮度足够且均匀的物面照明。聚光镜发来的光束应能保证充满物镜孔径角，否则就不能充分利用物镜所能达到的最高分辨率。为此目的，在聚光镜中设有类似照相物镜中的，可以调节开孔大小的可变孔径光阑，用来调节照明光束孔径，以与物镜孔径角匹配。改变照明方式，可以获得亮背景上的暗物点(称亮视场照明)或暗背景上的亮物点(称暗视场照明)等不同的观察方式，以便在不同情况下更好地发现和观察微细结构。2.2光学显微镜的发展历史早在公元前一世纪，人们就已发现通过球形透明物体去观察微小物体时，可以使其放大成像。后来逐渐对球形玻璃表面能使物体放大成像的规律有了认识。1590年，荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似显微镜的放大仪器。1610年前后，意大利的伽利略和德国的开普勒在研究望远镜的同时，改变物镜和目镜之间的距离，得出合理的显微镜光路结构，当时的光学工匠遂纷纷从事显微镜的制造、推广和改进。1673～1677年期间，列文胡克制成单组元放大镜式的高倍显微镜，其中九台保存至今。胡克和列文胡克利用自制的显微镜，在动、植物机体微观结构的研究方面取得了杰出的成就。19世纪，高质量消色差浸液物镜的出现，使显微镜观察微细结构的能力大为提高。1827年阿米奇第一个采用了浸液物镜。19世纪70年代，德国人阿贝奠定了显微镜成像的古典理论基础。这些都促进了显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，并为19世纪后半叶包括科赫、巴斯德等在内的生物学家和医学家发现细菌和微生物提供了有力的工具。在显微镜本身结构发展的同时，显微观察技术也在不断创新：1850年出现了偏光显微术；1893年出现了干涉显微术；1935年荷兰物理学家泽尔尼克创造了相衬显微术，他为此在1953年获得了诺贝尔物理学奖。古典的光学显微镜只是光学元件和精密机械元件的组合，它以人眼作为接收器来观察放大的像。后来在显微镜中加入了摄像装置，以感光胶片作为可以记录和存储的接收器。现代又普遍采用光电元件、电视摄象管和电荷耦合器等作为显微镜的接收器，配以微型电子计算机后构成完整的图象信息采集和处理系统。表面为曲面的玻璃或其他透明材料制成的光学透镜可以使物体放大成像，光学显微镜就是利用这一原理把微小物体放大到人眼足以观察的尺寸。近代的光学显微镜通常采用两级放大，分别由物镜和目镜完成。被观察物体位于物镜的前方，被物镜作第一级放大后成一倒立的实像，然后此实像再被目镜作第二级放大，成一虚像，人眼看到的就是虚像。而显微镜的总放大倍率就是物镜放大倍率和目镜放大倍率的乘积。放大倍率是指直线尺寸的放大比，而不是面积比。2.2光学显微镜2.3光学显微镜的工作原理显微镜是利用凸透镜的放大成像原理，将人眼不能分辨的微小物体放大到人眼能分辨的尺寸，其主要是增大近处微小物体对眼睛的张角（视角大的物体在视网膜上成像大），用角放大率M表示它们的放大本领。因同一件物体对眼睛的张角与物体离眼睛的距离有关，所以一般规定像离眼睛距离为25厘米（明视距离）处的放大率为仪器的放大率。显微镜观察物体时通常视角甚小，因此视角之比可用其正切之比代替。显微镜由两个会聚透镜组成，光路图如图所示。物体AB经物镜成放大倒立的实像A1B1，A1B1位于目镜的物方焦距的内侧，经目镜后成放大的虚像A2B2于明视距离处。2.3光学显微镜放大原理光路图第三章电子显微镜本章重点介绍电子显微镜的物理原理及应用。 3.1扫描电子显微镜本节着重介绍电子显微镜中的扫描电子显微镜。3.1.1扫描电子显微镜简介扫描电镜一种新型的电子光学仪器。它是利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。它具有制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、景深大等特点。数十年来，扫描电镜已广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。扫描电子显微镜是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征X射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电子辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动(声子)、电子振荡(等离子体)。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理，采用不同的信息检测器，使选择检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息;对x射线的采集，可得到物质化学成分的信息。正因如此，根据不同需求，可制造出功能配置不同的扫描电子显微镜。3.1扫描电子显微镜3.1.2扫描电镜发展历史1923年，法国科学家LouisdeBroglie发现，微观粒子本身除具有粒子特性以外还具有波动性。他指出不仅光具有波粒二象性，一切电磁波和微观运动物质(电子、质子等)也都具有波粒二象性。电磁波在空间的传播是一个电场与磁场交替转换向前传递的过程。电子在高速运动时，其波长远比光波要短得多，于是人们就想到是不是可以用电子束代替光波来实现成像。1926年，德国物理学家H·Busch提出了关于电子在磁场中的运动理论。他指出：具有轴对称性的磁场对电子束来说起着透镜的作用。从理论上设想了可利用磁场作为电子透镜，达到使电子束会聚或发散的目的。有了上述两方面的理论，1932年，德国柏林工科大学高压实验室的M.Knoll和E.Ruska研制成功了第1台实验室电子显微镜，这是后来透射式电子显微镜（transmissionelectronmicroscope，TEM）的雏形。其加速电压为70kV，放大率仅12倍。尽管这样的放大率还微不足道，但它有力地证明了使用电子束和电磁透镜可形成与光学影像相似的电子影像。这为以后电子显微镜的制造研究和提高奠定了基础。1933年，E.Ruska用电镜获得了金箔和纤维的1万倍的放大像。至此，电镜的放大率已超过了光镜，但是对显微镜有着决定意义的分辨率，这时还只刚刚达到光镜的水平。1937年，柏林工业大学的Klaus和Mill继承了Ruska的工作，拍出了第1张细菌和胶体的照片，获得了25nm的分辨率，从而使电镜完成了超越光镜性能的这一丰功伟绩。1939年，E.Ruska在德国的Siemens公同制成了分辨率优于10nm的第1台商品电镜。由于E·Ruska在电子光学和设计第1台透射电镜方面的开拓性工作被誉为“本世纪最重要的发现之一”，而荣获1986年诺贝尔物理学奖。除Knoll、Ruska以外，同时其他一些实验室和公司也在研制电镜。如荷兰的菲利浦（Philip）公司、美国的无线电公司(RCA)、日本的日立公司等。1944年Philip公司设计了150kV的透射电镜，并首次引入中间镜。1947年法国设计出400kV的高压电镜。60年代初，法国制造出1500kV的超高压电镜。1970年法国、日本又分别制成3000kV的超高压电镜。进入60年代以来，随着电子技术的发展，特别是计算机科学的发展，透射电镜的性能和自动化程度有了很大提高。现代透射电镜（如日立公司的H-9000型）的晶格分辨率最高已达0.1nm，放大率达150万倍。人们借助于电镜不但能看到细胞内部的结构，还能观察生物大分子和原子的结构，应用也愈加广泛和深入。扫描电镜(scanningelectronmicroscope,SEM)作为商品出现则较晚，早在1935年，Kn-oll在设计透射电镜的同时，就提出了扫描电镜的原理及设计思想。1940年英国剑桥大学首次试制成功扫描电镜。但由于分辨率很差、照相时间过长,因此没有立即进入实用阶段，至1965年英国剑桥科学仪器有限公司开始生产商品扫描电镜。80年代后扫描电镜的制造技术和成像性能提高很快，目前高分辨型扫描电镜（如日立公司的S-5000型）使用冷场发射电子枪，分辨率已达0.6nm，放大率达80万倍。我国从50年代初开始研制透射电镜，1959年第1台透射电镜诞生于上海新跃仪表厂，此后中型透射电镜开始批量生产。目前国产透射电镜分辨率已达0.2nm，放大80万倍。扫描电镜也于70年代开始生产。3.1.3扫描电子显微镜结构扫描电子显微镜由三大部分组成：真空系统，电子束系统以及成像系统。3.2扫描电子显微镜结构真空系统。真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。真空柱是一个密封的柱形容器。真空泵用来在真空柱内产生真空。有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类，机械泵加油扩散泵的组合可以满足配置钨枪的SEM的真空要求，但对于装置了场致发射枪或六硼化镧枪的SEM,则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。成像系统和电子束系统均内置在真空柱中。真空柱底端即为右图所示的密封室，用于放置样品。之所以要用真空，主要基于以下两点原因：电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM时需要用真空以外，平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。为了增大电子的平均自由程，从而使得用于成像的电子更多。电子束系统。电子束系统由电子枪和电磁透镜两部分组成，主要用于产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成像。电子枪。电子枪用于产生电子，主要有两大类，共三种。一类是利用场致发射效应产生电子，称为场致发射电子枪。这种电子枪极其昂贵，在十万美元以上，且需要小于10-10torr的极高真空。但它具有至少1000小时以上的寿命，且不需要电磁透镜系统。另一类则是利用热发射效应产生电子，有钨枪和六硼化镧枪两种。钨枪寿命在30～100小时之间，价格便宜，但成像不如其他两种明亮，常作为廉价或标准SEM配置。六硼化镧枪寿命介于场致发射电子枪与钨枪之间，为200～1000小时，价格约为钨枪的十倍，图像比钨枪明亮5～10倍，需要略高于钨枪的真空，一般在10-7torr以上；但比钨枪容易产生过度饱和和热激发问题。电磁透镜。热发射电子需要电磁透镜来成束，所以在用热发射电子枪的SEM上，电磁透镜必不可少。通常会装配两组：汇聚透镜：顾名思义，汇聚透镜用汇聚电子束，装配在真空柱中，位于电子枪之下。通常不止一个，并有一组汇聚光圈与之相配。但汇聚透镜仅仅用于汇聚电子束，与成像会焦无关。物镜：物镜为真空柱中最下方的一个电磁透镜，它负责将电子束的焦点汇聚到样品表面。成像系统。电子经过一系列电磁透镜成束后，打到样品上与样品相互作用，会产生次级电子、背散射电子、欧革电子以及X射线等一系列信号。所以需要不同的探测器譬如次级电子探测器、X射线能谱分析仪等来区分这些信号以获得所需要的信息。虽然X射线信号不能用于成像，但习惯上，仍然将X射线分析系统划分到成像系统中。有些探测器造价昂贵，比如Robinsons式背散射电子探测器，这时，可以使用次级电子探测器代替，但需要设定一个偏压电场以筛除次级电子。3.1.4扫描电子显微镜工作原理SEM的工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。扫描电镜的成像原理像闭路电视系统那样，是逐点逐行扫描成像。由下图的扫描电镜工作原理示意图可知，由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下经过2~3个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二级电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等。这些物理信号的强度随样品表面特征而变。它们分别被相应的收集器接受，经放大器按顺序、成比例的放大后，送到显像管的栅极上，用来同步的调制显像管的电子束强度，即显像管荧光屏上的亮度。由于供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也就是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束同步扫描。因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应的。这样，在长余辉荧光屏上就形成一幅与样品表面特征相对应的画面——某种信息图，如二次电子像、背散射电子像等。画面上亮度的疏密程度表示该信息的强弱分布。3.3扫描电子显微镜工作原理框图3.1.4扫描电镜应用扫描电子显微镜是一种多功能的仪器、具有很多优越的性能、是用途最为广泛的一种仪器．它可以进行如下基本分析：三维形貌的观察和分析；

（2）在观察形貌的同时，进行微区的成分分析。

①观察纳米材料，所谓纳米材料就是指组成材料的颗粒或微晶尺寸在0.1-100nm范围内，在保持表面洁净的条件下加压成型而得到的固体材料。纳米材料具有许多与晶体、非晶态不同的、独特的物理化学性质。纳米材料有着广阔的发展前景，将成为未来材料研究的重点方向。扫描电子显微镜的一个重要特点就是具有很高的分辨率。现已广泛用于观察纳米材料

②进口材料断口的分析：扫描电子显微镜的另一个重要特点是景深大，图象富立体感。扫描电子显微镜的焦深比光学显微镜大几百倍。由于图象景深大，故所得扫描电子象富有立体感，具有三维形态，能够提供比其他显微镜多得多的信息，这个特点对使用者很有价值。扫描电子显微镜所显示饿断口形貌从深层次，高景深的角度呈现材料断裂的本质，在教学、科研和生产中，有不可替代的作用，在材料断裂原因的分析、事故原因的分析已经工艺合理性的判定等方面是一个强有力的手段。

③直接观察大试样的原始表面，它能够直接观察直径100mm，高50mm，或更大尺寸的试样，对试样的形状没有任何限制，粗糙表面也能观察，这便免除了制备样品的麻烦，而且能真实观察试样本身物质成分不同的衬度（背反射电子象）

④观察厚试样，其在观察厚试样时，能得到高的分辨率和最真实的形貌。扫描电子显微的分辨率介于光学显微镜和透射电子显微镜之间，但在对厚块试样的观察进行比较时，因为在透射电子显微镜中还要采用复膜方法，而复膜的分辨率通常只能达到10nm，且观察的不是试样本身。因此，用扫描电子显微镜观察厚块试样更有利，更能得到真实的试样表面资料

⑤观察试样的各个区域的细节。试样在样品室中可动的范围非常大，其他方式显微镜的工作距离通常只有2-3cm，故实际上只许可试样在两度空间内运动，但在扫描电子显微镜中则不同。由于工作距离大（可大于20mm）。焦深大（比透射电子显微镜大10倍）。样品室的空间也大。因此，可以让试样在三度空间内有6个自由度运动（即三度空间平移、三度空间旋转）。且可动范围大，这对观察不规则形状试样的各个区域带来极大的方便。

⑥在大视场、低放大倍数下观察样品，用扫描电子显微镜观察试样的视场大。在扫描电子显微镜中，能同时观察试样的视场范围F由下式来确定：F=L/M

式中F——视场范围；

M——观察时的放大倍数；

L——显象管的荧光屏尺寸。

若扫描电镜采用30cm（12英寸）的显象管，放大倍数15倍时，其视场范围可达20mm，大视场、低倍数观察样品的形貌对有些领域是很必要的，如刑事侦察和考古。

⑦进行从高倍到低倍的连续观察，放大倍数的可变范围很宽，且不用经常对焦。扫描电子显微镜的放大倍数范围很宽（从5到20万倍连续可调），且一次聚焦好后即可从高倍到低倍、从低倍到高倍连续观察，不用重新聚焦，这对进行事故分析特别方便。

⑧观察生物试样。因电子照射而发生试样的损伤和污染程度很小。同其他方式的电子显微镜比较，因为观察时所用的电子探针电流小（一般约为10-10-10-12A）电子探针的束斑尺寸小（通常是5nm到几十纳米），电子探针的能量也比较小（加速电压可以小到2kV）。而且不是固定一点照射试样，而是以光栅状扫描方式照射试样。因此，由于电子照射面发生试样的损伤和污染程度很小，这一点对观察一些生物试样特别重要。

⑨进行动态观察。在扫描电子显微镜中，成象的信息主要是电子信息，根据近代的电子工业技术水平，即使高速变化的电子信息，也能毫不困难的及时接收、处理和储存，故可进行一些动态过程的观察，如果在样品室内装有加热、冷却、弯曲、拉伸和离子刻蚀等附件，则可以通过电视装置，观察相变、断烈等动态的变化过程。

由于扫描电子显微镜具有上述特点和功能，所以越来越受到科研人员的重视，用途日益广泛。现在扫描电子显微镜已广泛用于材料科学（金属材料、非金属材料、钠米材料）、冶金、生物学、医学、半导体材料与器件、地质勘探、病虫害的防治、灾害（火灾、失效分析）鉴定、刑事侦察、宝石鉴定、工业生产中的产品质量鉴定及生产工艺控制等。3.2透射电子显微镜本章重点介绍透射电子显微镜的物理结构及其应用3.2.1透射电镜简介透射电子显微镜英文名称transmissionelectronmicroscope;TEM。是一种用透过样品的电子束使其成像的电子显微镜，或在一个高真空系统中，由电子枪发射电子束，穿过被研究的样品，经电子透镜聚焦放大，在荧光屏上显示出高度放大的物像，还可作摄片记录的一类最常见的电子显微镜。在光学显微镜下无法看清小于0.2nm的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。由于电子的德布罗意波长非常短，透射电子显微镜的分辨率比光学显微镜高的很多，可以达到0.1-0.2nm，放大倍数为几万到百万倍。因此，使用透射电子显微镜可以用于观察样品的精细结构，甚至可以用于观察仅仅一列原子的结构，比光学显微镜所能够观察到的最小的结构小数万倍。在放大倍数较低的时候，TEM成像的对比度主要是由于材料不同的厚度和成分造成对电子的吸收不同而造成的。而当放大率倍数高的时候，复杂的波动作用会造成成像的亮度不同，因此需要专业知识来对所得到的像进行分析。通过使用TEM不同的模式，可以通过物质的化学特性、晶体结构、样品造成的电子相移及通常的对电子吸收对样品成像。3.4透射电镜3.2.2透射电镜发展历史1924年，德国科学家德布罗意（DeBroglie）指出，任何一种接近光速运动的粒子都具有波动本质。1926——1927年，Davisson和Germer以及ThompsonReid用电子衍射现象验证了电子的波动性，发现电子波长比X光还要短，从而联想到可用电子射线代替可见光照明样品来制作电子显微镜，以克服光波长在分辨率上的局限性。1926年德国学者Busch指出“具有轴对称的磁场对电子束起着透镜的作用，有可能使电子束聚焦成像”，为电子显微镜的制作提供了理论依据。1931年，德国学者诺尔（Koll）和鲁斯卡（Ruska）获得了放大12~17倍的电子光学系统的光阑的像，证明可用电子束和电磁透镜得到电子像，但是这一装置还不是真正的电子显微镜，因为它没有样品台。1931——1933年间，鲁斯卡等对以上装置进行了改进，做出了世界上第一台透射电子显微镜（简称透射电镜）。1934年，电子显微镜的分辨率已达到500埃，鲁斯卡也因此获得1986年的诺贝尔物理学奖。1939年，德国西门子公司造出了世界第一台商品透射电镜，分辨率优于100埃。1954年又产生了著名的西门子Elmiskop型电子显微镜，分辨率优于10埃。在英国，透射电镜的研究始于1935年，1946年设计了第一批商业透射电镜，导致的EM型电镜的系列生产。在荷兰，1944年研制成第一台电镜，后来生产了著名的PhilipsEM和CM型透射电镜。我国的透射电镜研制始于20世纪50年代，1977年已作出了分辨率为3埃的80万倍的透射电镜。目前世界上生产透射电镜的主要是这三家电镜制造商：日本的日本电子（JEOL）和日立（Hitachi）以及美国的FEI。他们生产的透射电镜大致分为三类：（1）常规的TEM：加速电压为100~200KV。代表性产品有日本电子的JEM-2010,日立的H-8000，菲利浦的CM200，FEI的TECNAI200。200KV透射电镜的分辨率可达1,9埃。（2）中压TEM:加速电压为300~400kV。代表性产品有日本电子的JEM-3010和JEM-4000，日立的H-9500，FEI的TECNAIF30。300KV透射电镜的分辨率可达1.7埃，400KV透射电镜的分辨率可达1.63埃。（3）高压TEM：加速电压为1000kV。代表性产品有JEM-1000，日立公司还制造了世界上最大的3000kV的透射电镜。目前1000kV的透射电镜最高分辨率可达1埃。目前用的最多的透射电镜是200kV和300kV的电镜，高压电镜由于价格昂贵，体积庞大，用的很少。3.2.3透射电镜工作原理透射电镜(TEM)是一种现代综合性大型分析仪器，在现代科学、技术的研究、开发工作中被广泛地使用。顾名思义，所谓电子显微镜是以电子束为照明光源的显微镜。由于电子束在外部磁场或电场的作用下可以发生弯曲，形成类似于可见光通过玻璃时的折射现象，所以我们就可以利用这一物理效应制造出电子束的“透镜”，从而开发出电子显微镜。而作为透射电子显微镜(TEM)其特点在于我们是利用透过样品的电子束来成像。由于电子波的波长大大小于可见光的波长(100kV的电子波的波长为0．0037nm，而紫光的波长为400nm)，根据光学理论，我们可以预期电子显微镜的分辨本领应大大优于光学显微镜。事实上，现代电子显微镜的分辨本领已经可达0．1nm。

透射电镜的总体工作原理是：由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之汇聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的汇聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和第1、第2投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。3.5透射电镜工作原理图在实际情况下无论是光镜还是电镜，其内部结构都要比图示复杂得多，图中的聚光镜（condonserlens）、物镜（objectlens）和投影镜（projectionlens）为光路中的主要透镜，实际制作中它们往往各是一组（多块透镜构成），在设计电镜时为达到所需的放大率、减少畸变和降低像差，又常在投影镜之上增加一至两级中间镜（intemediatelens）。透射式电子显微镜的总体结构包括镜体和辅助系统两大部分，镜体部分包含：①照明系统，②成像系统，③观察记录系统，④调校系统。辅助系统包含：①真空系统，②电路系统，③水冷系统。照明系统。照明系统包括电子枪和聚光镜2个主要部件，它的功用主要在于向样品及成像系统提供亮度和电子束流，对它的要求是输出的电子束波长单一稳定，亮度均匀一致，调整方便，像散小。电子枪。电子枪由阴极（cathode）、阳极（anode）和栅极（grid）组成，3.6图为它的剖面结构示意图和实物分解图。3.6电子枪构成阴极阴极是产生自由电子的源头，一般有直热式和旁热式2种，旁热式阴极是将加热体和阴极分离，各自保持独立。在电镜中通常由加热灯丝（filament）兼做阴极称为直热式阴极，材料多用金属钨丝制成，其特点是成本低，但亮度低，寿命也较短。在一定的界限内，灯丝发射出来的自由电子量与加热电流强度成正比，但在超越这个界限后，电流继续加大，只能降低灯丝的使用寿命，却不能增大自由电子的发射量，我们把这个临界点称做灯丝饱和点，意即自由电子的发射量已达“满额”，无以复加。正常使用常把灯丝的加热电流调整设定在接近饱和而不到的位置上，称做“欠饱和点”。这样在保证能获得较大的自由电子发射量的情况下，可以最大限度地延长灯丝的使用寿命。（2）阳极为一中心有孔的金属圆筒，处在阴极下方，当阳极上加有数十千伏或上百千伏的正高压加速电压时，将对阴极受热发射出来的自由电子产生强烈的引力作用，并使之从杂乱无章的状态变为有序的定向运动，同时把自由电子加速到一定的运动速度，形成一股束流射向阳极靶面。凡在轴心运动的电子束流，将穿过阳极中心的圆孔射出电子枪外，成为照射样品的光源。（3）栅极位于阴、阳极之间，靠近灯丝顶端，为形似帽状的金属物，中心亦有一小孔供电子束通过。栅极上加有0～1000V的负电压（对阴极而言），这个负电压称为栅偏压VG，它的高低不同，可由使用者根据需要调整，栅极偏压能使电子束产生向中心轴会聚的作用，同时对灯丝上自由电子的发射量也有一定的调控抑制作用。（4）工作原理如下图，在灯丝电源VF作用下，电流IF流过灯丝阴极，使之发热达2500℃以上时，便可产生自由电子并逸出灯丝表面。加速电压VA使阳极表面聚集了密集的正电荷，形成了一个强大的正电场，在这个正电场的作用下自由电子便飞出了电子枪外。调整VF可使灯丝工作在欠饱和点，电镜使用过程中可根据对亮度的需要调节栅偏压VG的大小来控制电子束流量的大小。3.7电子枪工作原理聚光镜。聚光镜处在电子枪的下方，一般由2～3级组成，从上至下依次称为第1、第2聚光镜（以C1和C2表示）。电镜中设置聚光镜的用途是将电子枪发射出来的电子束流会聚成亮度均匀且照射范围可调的光斑，投射在下面的样品上。C1和C2的结构相似，但极靴形状和工作电流不同，所以形成的磁场强度和用也不相同。C1为强磁场透镜，C2为弱磁场透镜，各级聚光镜组合在一起使用，可以调节照明束斑的直径大小，从而改变了照明亮度的强弱，在电镜操纵面板上一般都设有对应的调节旋扭。C1、C2的工作原理是通过改变聚光透镜线圈中的电流，来达到改变透镜所形成的磁场强度的变化，磁场强度的变化（亦即折射率发生变化）能使电子束的会聚点上下移动，在样品表面上电子束斑会聚得越小，能量越集中，亮度也越大；反之束斑发散，照射区域变大则亮度就减小。通过调整聚光镜电流来改变照明亮度的方法，实际上是一个间接的调整方法，亮度的最大值受到电子束流量的限制。如想更大程度上改变照明亮度，只有通调整前面提到的电子枪中的栅极偏压，才能从根本上改变电子束流的大小。在C2上通常装配有活动光阑，用以改变光束照明的孔径角，一方面可以限制投射在样品表面的照明区域，使样品上无需观察的部分免受电子束的轰击损伤；另一方面也能减少散射电子等不利信号带来的影响。样品室。样品室处在聚光镜之下，内有载放样品的样品台。样品台必须能做水平面上X、Y方向的移动，以选择、移动观察视野，相对应地配备了2个操纵杆或者旋转手轮，这是一个精密的调节机构，每一个操纵杆旋转10圈时，样品台才能沿着某个方向移动3mm左右。现代高档电镜可配有由计算机控制的马达驱动的样品台，力求样品在移动时精确，固定时稳定；并能由计算机对样品做出标签式定位标记，以便使用者在需要做回顾性对照时依靠计算机定位查找。透射电镜常见的样品台有2种：①顶入式样品台，要求样品室空间大，一次可放入多个（常见为6个）样品网，样品网盛载杯呈环状排列。使用时可以依靠机械手装置进行依次交换。优点是每观察完多个样品后，才在更换样品时破坏一次样品室的真空，比较方便、省时间；但所需空间太大，致使样品距下面物镜的距离较远，不适于缩短物镜焦距，会影响电镜分辨力的提高。②侧插式样品台样品台制成杆状，样品网载放在前端，只能盛放1～2个铜网。样品台的体积小，所占空间也小，可以设置在物镜内部的上半端，有利于电镜分辨率的提高。缺点是一次不能同时放入多个样品网，每次更换样品必须破坏一次样品室的真空，略嫌不便。物镜。物镜处于样品室下面，紧贴样品台，是电镜中的第1个成像元件，在物镜上产生哪怕是极微小的误差，都会经过多级高倍率放大而明显地暴露出来，所以这是电镜的一个最重要部件，决定了一台电镜的分辨本领，可看作是电镜的心脏。（1）特点物镜是一块强磁透镜，焦距很短，对材料的质地纯度、加工精度、使用中污染的状况等工作条件都要求极高。致力于提高一台电镜的分辨率指标的核心问题，便是对物镜的性能设计和工艺制作的综合考核。尽可能地使之焦距短、像差小，又希望其空间大，便于样品操作，但这中间存在着不少相互矛盾的环节。（2）作用进行初步成像放大，改变物镜的工作电流，可以起到调节焦距的作用。电镜操作面板上粗、细调焦旋扭，即为改变物镜工作电流之用。为满足物镜的前述要求，不仅要将样品台设计在物镜内部，以缩短物镜焦距；还要配置良好的冷却水管，以降低物镜电流的热飘移；此外，还装有提高成像反差的可调活动光阑，及其要达到高分辨率的消像散器。对于高性能的电子显微镜，都通过物镜装有以液氮为媒质的防污染冷阱，给样品降温。中间镜和投影镜。在物镜下方，依次设有中间镜和第1投影镜、第2投影镜，以共同完成对物镜成像的进一步放大任务。从结构上看，它们都是相类似的电磁透镜，但由于各自的位置和作用不尽相同，故其工作参数、励磁电流和焦距的长短也不相同。观察室。透射电镜的最终成像结果，显现在观察室内的荧光屏上，观察室处于投影镜下，空间较大，开有1～3个铅玻璃窗，可供操作者从外部观察分析用。对铅玻璃的要求是既有良好的透光特性，又能阻断X线散射和其他有害射线的逸出，还要能可靠地耐受极高的压力差以隔离真空。照相室。在观察中电子束长时间轰击生物医学样品标本，必会使样品污染或损伤。所以对有诊断分析价值的区域，若想长久地观察分析和反复使用电镜成像结果，应该尽快把它保留下来，将因为电子束轰击生物医学样品造成的污染或损伤降低到最小。此外，荧光屏上的粉质颗粒的解像力还不够高，尚不能充分反映出电镜成像的分辨本领。将影像记录存储在胶片上，便解决了这些问题。3.2.4透射电镜应用及发展透射电子显微镜的应用和发展主要表现在以下几个方面：①晶体缺陷分析广义的讲，一切破坏正常点阵周期的结构均称为晶体缺陷，如空位、位错、晶界、析出物等。这些破坏点阵周期性的结构都将导致其所在区域的衍射条件发生变化，使得缺陷所在区域的衍射条件不同于正常区域的衍射条件，从而在荧光屏上显示出相应明暗程度的差别。②组织分析除了各种缺陷可以产生不同的衍射花纹外，各种不同的晶体微观组织也会对应有不同的像和衍射花纹，通过它们可以在观察组织形貌的同时进行晶体的结构和取向分析。③原位观察利用相应的样品台，可以在透射电镜中进行原位试验。例如，利用加热台加热样品观察其相变过程，利用应变台拉伸样品观察其形变和断裂过程等。④高分辨显微技术提高显微镜的分辨率以便更能深入观察研究物质的微观结构，一直是人们不断追求的目标。高分辨率电子显微镜利用的是电子束相位的变化，由两束以上的电子束相干成像，在电子显微镜分辨率足够高的条件下，所用的电子束越多，图像的分辨率越高，甚至可以用于薄样品原子结构成像。第四章扫描探针显微镜伴随着微电子技术发展起来的纳米技术是影响人类的关键技术。纳米技术主要是在纳米量级上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性而展开的多学科高新技术。各国科学家都一致认为21世纪是纳米科技的世纪。从20世纪80年代初第一台扫描隧道显微镜（STM）的出现到随后出现的原子力显微镜（AFM），再到如今集各种功能于一身的扫描探针显微镜（SPM），这些纳米技术研究设备的不断更新，更进一步地推动了纳米科技的发展和应用。扫描探针显微镜（SPM）更是成为当今纳米技术研究不可缺少的研究工具。4.1扫描探针显微镜的起源与发展（1）起源在扫描探针显微镜出现以前，对微观结构的观测主要是通过光学或者电子透镜成像来实现。但这类仪器的分辨率都受到Abbe极限的限制。这一限制使得传统的光学和电子显微镜的分辨率很难达到纳米量级。1956年，美国科学家O.Keefe提出了扫描探测原理。应用此原理就能从理论上突破Abbe极限对显微镜分辨力的限制。 1974年，美国国家标准局的Yong等人采用了O.Keefe的扫描探测原理，利用场发射电流测量样本表面的形貌，研制了一台新型的轮廓仪———topgrafiner，该仪器可以说是现代扫描探针显微镜的雏形。1982年IBM公司苏黎世研究所的物理学家G.Binning和H.Rohrer成功研制了第一台扫描隧道显微镜（STM），并借此观察到了Si表面清晰的原子结构,使人类第一次进入原子世界,直接观察到了物质表面上的单个原子。因此两人获得了1986年诺贝尔物理奖。由于STM需要被测样本必须为导体或半导体，因此其应用受到一定的局限。1985年他们在STM理论的基础上发明了原子力显微镜（AFM），将观察对象由导体、半导体扩展到绝缘体。(2)发展 此后人们在STM和AFM原理的基础上又相继发明了力调制显微镜(FMM)、相位检测显微(PDM)、静电力显微镜(EFM)、电容扫描显微镜(SCM)、热扫描显微镜(SThm)和近场光隧道扫描显微镜(NSOM)等各种系列显微镜。这些显微镜都是利用探针在被测样本表面上进行横向和纵向扫描从而引起相关被测量变化的原理来工作的设备。因此国际上把这一系列的显微镜称之为扫描探针显微镜（SPM)。图1是扫描探针显微镜的一些主要分类，在此主要介绍最常用的两种：STM,AFM。4.1扫描探针显微镜的分类如今扫描探针显微镜的应用已经不仅仅局限于样本表面形貌的观测，而已深深渗入微电子技术、生物技术、基因工程、生命科学、材料科学、表面技术、信息技术和纳米技术等各种尖端科学领域。4.2扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜英文名称：scanningtunnelmicroscope;STM。它是利用量子隧道效应产生隧道电流的原理制作的显微镜。其分辨率可达原子水平，即观察到原子级的图像。在生物学中，可观察大分子和生物膜的分子结构。4.2.1扫描4.2.1隧道显微镜简介扫描隧道显微镜(SgTligio,简称M)是0纪0年发展来的种新显表究技,核思是探尖端物表子间不同种类的局域互作用来测面子构电子结。1年在M公司瑞黎实室作的罗尔,利用尖表的隧电流随间距变化性质来探测面结,获了空的子分像这一使微科学达到了个新的境,并对物化学、生物、材料等域的研究产生了大的推动作。4.2扫描隧道显微镜M对属面结属氧和蚀机等行入研。如究u具不同覆度,通氧表化吸诱表再构成生过,发现在Cu（100）表面每隔4行丢失1行原,uO-u(0)表面某方成,。而在u()面在不氧盖有种构况,其(2)再是先整平台上成核,然后各向异性地生长出uOu链,而(6@)再构却在台阶缘上成核，然后各向异性生长。M还于导的究,空间研究超导体能。例如它被用于B22O8高Tc氧化物超导体的BiO面电子态密度测,一生物中的NA制程是时每在进行着,过人从未直观见,中科学院生物化学研究所利用STM拍摄了表征DNA复过中瞬间的片,即对NA生物大分子的操纵和拍摄生命体系部生部生化反应引起的大分子结构的动态变化——所成前课,这生科学和类因学究重意。TM发明今,不过短短10几年时间。正如宾希罗尔他们的诺贝尔讲题目中所形容的样,M诞发到在,只处它的青少时。然某方还而露,而毕竟锋芒初,正在以它的旺盛的生命力茁壮成长。科学家们预言，STM在不久的将来必将进去它辉煌的壮年时代。4.2.2扫描隧道显微镜物理结构隧道针尖。隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率，从而可以减少相位滞后，提高采集速度。如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象。针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒。例如，针尖表面若有氧化层，则其电阻可能会高于隧道间隙的阻值，从而导致针尖和样品间产生隧道电流之前，二者就发生碰撞。4.3扫描隧道显微镜物理结构目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成型法等。制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂-铱合金丝等。钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。而铂-铱合金针尖则多用机械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。不论哪一种针尖，其表面往往覆盖着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这经常是造成隧道电流不稳、噪音和扫描隧道显微镜图象的不可预期性的原因。因此，每次实验前，都要对针尖行处理，一般用化学法清洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖具有良好的导电性。三维扫描控制器。由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。压电陶瓷利用了压电现象。4.4扫描出的纳米级图像许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)和钛酸钡等。压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有以下几种：①三脚架型，由三根独立的长棱柱型压电陶瓷材料以相互正交的方向结合在一起，针尖放在三脚架的顶端，三条腿独立地伸展与收缩，使针尖沿x-y-z三个方向运动。②单管型，陶瓷管的外部电极分成面积相等的四份，内壁为一整体电极，在其中一块电极上施加电压，管子的这一部分就会伸展或收缩(由电压的正负和压电陶瓷的极化方向决定)，导致陶瓷管向垂直于管轴的方向弯曲。通过在相邻的两个电极上按一定顺序施加电压就可以实现在x-y方向的相互垂直移动。在z方向的运动是通过在管子内壁电极施加电压使管子整体收缩实现的。管子外壁的另外两个电极可同时施加相反符号的电压使管子一侧膨胀，相对的另一侧收缩，增加扫描范围，亦可以加上直流偏置电压，用于调节扫描区域。③十字架配合单管型，z方向的运动由处在“十”字型中心的一个压电陶瓷管完成，x和y扫描电压以大小相同、符号相反的方式分别加在一对x、-x和y、-y上。这种结构的x-y扫描单元是一种互补结构，可以在一定程度上补偿热漂移的影响。除了使用压电陶瓷，还有一些三维扫描控制器使用螺杆、簧片、电机等进行机械调控。减震系统。由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于1nm，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都会对仪器的稳定性产生影响。必须隔绝的两种类型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主要的。隔绝震动主要从考虑外界震动的频率与仪器的固有频率入手。电子学控制系统。扫描隧道显微镜是一个纳米级的随动系统，因此，电子学控制系统也是一个重要的部分。扫描隧道显微镜要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，而后要不断采集隧道电流，在恒电流模式中还要将隧道电流与设定值相比较，再通过反馈系统控制探针的进与退，从而保持隧道电流的稳定。所有这些功能，都是通过电子学控制系统来实现的。在线扫描控制系统。在扫描隧道显微镜的软件控制系统中，计算机软件所起的作用主要分为“在线扫描控制”和“离线数据分析”两部分。4.5扫描隧道显微镜拍下的DNA在线扫描控制。①参数设置功能在扫描隧道显微镜实验中，计算机软件主要实现扫描时的一些基本参数的设定、调节，以及获得、显示并记录扫描所得数据图象等。计算机软件将通过计算机接口实现与电子设备间的协调共同工作。在线扫描控制中一些参数的设置功能如下：⑴“电流设定”的数值意味着恒电流模式中要保持的恒定电流，也代表着恒电流扫描过程中针尖与样品表面之间的恒定距离。该数值设定越大，这一恒定距离也越小。测量时“电流设定”一般在“0.5-1.0nA”范围内。⑵“针尖偏压”是指加在针尖和样品之间、用于产生隧道电流的电压真实值。这一数值设定越大，针尖和样品之间越容易产生隧道电流，恒电流模式中保持的恒定距离越小，恒高度扫描模式中产生的隧道电流也越大。“针尖偏压”值一般设定在“50-100mV”范围左右。⑶“Z电压”是指加在三维扫描控制器中压电陶瓷材料上的真实电压。Z电压的初始值决定了压电陶瓷的初始状态，随着扫描的进行，这一数值要发生变化。“Z电压”在探针远离样品时的初始值一般设定在“-150.0mV—-200.0mV”左右。⑷“采集目标”包括“高度”和“隧道电流”两个选项，选择扫描时采集的是样品表面高度变化的信息还是隧道电流变化的信息。⑸“输出方式”决定了将采集到的数据显示成为图象还是显示成为曲线。⑹“扫描速度”可以控制探针扫描时的延迟时间，该值越小，扫描越快。⑺“角度走向”是指探针水平移动的偏转方向，改变角度的数值，会使扫描得到的图象发生旋转。⑻“尺寸”是设置探针扫描区域的大小，其调节的最大值由量程决定。尺寸越小，扫描的精度也越高，改变尺寸的数值可以产生扫描图象的放大与缩小的作用。⑼“中心偏移”是指扫描的起始位置与样品和针尖刚放好时的偏移距离，4.6“扫描隧道显微镜”下拍摄的“血细胞”改变中心偏移的数值能使针尖发生微小尺度的偏移。中心偏移的最大偏移量是当前量程决定的最大尺寸。⑽“工作模式”决定扫描模式是恒电流模式还是恒高度模式。⑾“斜面校正”是指探针沿着倾斜的样品表面扫描时所做的软件校正。⑿“往复扫描”决定是否进行来回往复扫描。⒀“量程”是设置扫描时的探测精度和最大扫描尺寸的大小。这些参数的设置除了利用在线扫描软件外，利用电子系统中的电子控制箱上的旋钮也可以设置和调节这些参数。②马达控制当使用软件控制马达使针尖逼近样品时，首先要确保电动马达控制器的红色按钮处于弹起状态，否则探头部分只受电子学控制系统控制，计算机软件对马达的控制不起作用。马达控制软件将控制电动马达以一个微小的步长转动，使针尖缓慢靠近样品，直到进入隧道区为止。马达控制的操作方式为：“马达控制”选择“进”，点击“连续”按钮进行连续逼近，当检测到的隧道电流达到一定数值后，计算机会进行警告提示，并自动停止逼近，此时单击“单步”按钮，直到“Z电压”的数值接近零时停止逼近，完成马达控制操作。离线数据分析软件。离线数据分析是指脱离扫描过程之后的针对保存下来的图象数据的各种分析与处理工作。常用的图象分析与处理功能有：平滑、滤波、傅立叶变换、图象反转、数据统计、三维生成等。⑴平滑平滑的主要作用是使图象中的高低变化趋于平缓，消除数据点发生突变的情况。⑵滤波滤波的基本作用是可将一系列数据中过高的削低、过低的添平。因此，对于测量过程中由于针尖抖动或其它扰动给图象带来的很多毛刺，采用滤波的方式可以大大消除。⑶傅立叶变换快速傅立叶叶变换对于研究原子图象的周期性时很有效。⑷图象反转将图象进行黑白反转，会带来意想不到的视觉效果。⑸数据统计，用统计学的方式对图象数据进行统计分析。⑹三维生成根据扫描所得的表面型貌的二维图象，生成直观美丽的三维图象。大多数的软件中还提供很多其它功能，综合运用各种数据处理手段，最终得到自己满意的图象。4.2.3扫描隧道显微镜工作原理扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网络结构的单个原子的美丽图片。在扫描隧道显微镜(STM)观测样品表面的过程中，扫描探针的结构所起的作用是很重要的。如针尖的曲率半径是影响横向分辨率的关键因素；针尖的尺寸、形状及化学同一性不仅影响到STM图象的分辨率，而且还关系到电子结构的测量。因此，精确地观测描述针尖的几何形状与电子特性对于实验质量的评估有重要的参考价值。扫描隧道显微镜(STM)的研究者们曾采用了一些其它技术手段来观察扫描隧道显微镜(STM)针尖的微观形貌，如SEM、TEM、FIM等。SEM一般只能提供微米或亚微米级的形貌信息，显然对于原子级的微观结构观察是远远不够的。虽然用高分辨TEM可以得到原子级的样品图象，但用于观察扫描隧道显微镜(STM)针尖则较为困难，而且它的原子级分辨率也只是勉强可以达到。只有FIM能在原子级分辨率下观察扫描隧道显微镜(STM)金属针尖的顶端形貌，因而成为扫描隧道显微镜(STM)针尖的有效观测工具。日本Tohoku大学的樱井利夫等人利用了FIM的这一优势制成了FIM-STM联用装置(研究者称之为FI-STM)，可以通过FIM在原子级水平上观测扫描隧道显微镜(STM)扫描针尖的几何形状，这使得人们能够在确知扫描隧道显微镜(STM)针尖状态的情况下进行实验，从而提高了使用扫描隧道显微镜(STM)仪器的有效率。4.2.4扫描隧道显微镜工作模式恒电流模式。利用一套电子反馈线路控制隧道电流，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流I不变，针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。4.7用扫描隧道显微镜拍摄到的图像恒高度模式。在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。从STM的工作原理可以看到：STM工作的特点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显微图像，而不需要光源和透镜。这正是得名“扫描隧道显微镜”的原因。4.2.5产品分析优越性。与其他表面分析技术相比，STM具有如下独特的优点：①具有原子级高分辨率，STM在平行于样品表面方向上的分辨率分别可达0.1埃，即可以分辨出4.8STM恒电流工作方式观测超细金属微粒单个原子。②可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。③可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。④可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他溶液中不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤．这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超一身地创、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。⑤配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度。表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。⑥利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础。局限性。尽管STM有着EM、FIM等仪器所不能比拟的诸多优点，但由于仪器本身的工作方式所造成的局限性也是显而易见的。这主要表现在以下两个方面：①STM的恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。在恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会有所改善。但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半径应远小于粒子之间的距离，才能避免这种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时，这一点显得尤为重要。②STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体；对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。宾尼等人1986年研制成功的AFM可以弥补STM这方面的不足。此外，在目前常用的（包括商品）STM仪器中，一般都没有配备FIM，因而针尖形状的不确定性往往会对仪器的分辨率和图象的认证与解释带来许多不确定因素。4.3原子力显微镜原子力显微镜(atomicforcemicroscope,AFM)是一种具有原子分辨率的表面形貌、电磁性能分析的重要仪器。4.3.1原子力显微镜简介近些年，迅速发展起来的研究微观世界的微-纳米科学技术己成为国际科技领域关注的热点，在微电了、微机械及纳米电了、纳米机械技术方面，微米级的加工技术在1988年己使硅片刻线宽度达0.8um，芯片集成度达4Mb，从而进入超大规模集成时代，预计2000年以前，线宽口J一达0.2^-0.1um,芯片集成度达1Gb;国外采用最先进的IC技术能制作出毫米级以下的硅静电马达;扫描遂道显微术等技术的突破性进展又推动科研乎段和应用技术的研究向微观世界大步前进，使物理化学、材料学、生命科学进入一个崭新的发展阶段。原了力显微镜(atomicforcemicroscopy,AFM)所采用的正是当前科学技术最前沿的扫描遂道显微技术。原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，AFM），一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。AFM测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。 4.9原子力显微镜4.3.2原子力显微镜物理原理原子力显微镜的基本原理。AFM的基本原理是：用一根极尖锐的探针沿着样品表面扫描，从而绘制出样品的表面轮廓图像。由于探针的针尖尺寸只有原子那样大小，因而其分辨率能达到埃米级，能对从原子到分子尺度的结构进行三维成像和测量;另一方面，由于探针尖与样本接触时相互的作用力己超出万有引力的范畴，是通过对原子相互作用力的测量来成像，因而取名为原子力显微镜。4.10原子力显微镜工作原理4.3.3原子力显微镜物理结构在原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。力检测部分。在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100~500μm长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。位置检测部分。在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。反馈系统。在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。AFM系统使用压电陶瓷管制作的扫描器精确控制微小的扫描移动。压电陶瓷是一种性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。也就是说，可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。通常把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形状，通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫描的目的；通过控制Z方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样品之间距离的目的。原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever）来感测针尖与样品之间的相互作用，这作用力会使微悬臂摆动，再利用激光将光照射在悬臂的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。4.3.4工作模式原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品之间的作用力的形式来分类的。主要有以下3种操作模式：接触模式（contactmode)，非接触模式（non-contactmode)和敲击模式(tappingmode）。接触模式。从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。正如名字所描述的那样，AFM在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持紧密的接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10-10～10-6N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。非接触模式。非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5～10nm的距离处振荡。这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10-12N，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。敲击模式。敲击模式介于接触模式和非接触模式之间，是一个杂化的概念。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/敲击样品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了。因此当检测柔嫩的样品时，AFM的敲击模式是最好的选择之一。一旦AFM开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等，用于物体表面分析。同时，AFM还可以完成力的测量工作，测量悬臂的弯曲程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。三种模式的比较。接触模式（ContactMode）：优点：扫描速度快，是唯一能够获得“原子分辨率”图像的AFM垂直方向上有明显变化的质硬样品，有时更适于用ContactMode扫描成像。缺点：横向力影响图像质量。在空气中，因为样品表面吸附液层的毛细作用，使针尖与样品之间的粘着力很大。横向力与粘着力的合力导致图像空间分辨率降低，而且针尖刮擦样品会损坏软质样品（如生物样品，聚合体等）。非接触模式（Non-ContactMode）：优点：没有力作用于样品表面。缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低；为了避免接触吸附层而导致针尖胶粘，其扫描速度低于TappingMode和ContactModeAFM。通常仅用于非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样品。由于上述缺点，on-contactMode的使用受到限制。轻敲模式（TappingMode）：优点：很好的消除了横向力的影响。降低了由吸附液层引起的力，图像分辨率高，适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损伤其表面。缺点：比ContactModeAFM的扫描速度慢。4.3