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电子显微镜依照原理的不同又可以分为数种




来源:yiyi
时间:2011-10-3 14:44:48

电子显微镜
要使用「奈米微小製造技术」来製作我们所需要的结构,第一步便是先要能够「看到原子」,目前人类还无法用肉眼直接看到原子,因此都是使用间接的方式,利用仪器的辅助来观察原子,这种仪器称为「电子显微镜(EM:Electron Microscopy)」,电子显微镜依照原理的不同又可以分为数种:

扫描式电子显微镜(SEM:Scanning Electron Microscopy)
使用钨丝来发射电子束(热游离),当电子束照射到物体表面时,就如同光束照射到物体表面,当物体表面凸出时反射电子束较多,故侦测器侦测到较强的讯号(比较亮),如图4-54(a)所示;当物体表面凹下时反射电子束较少,故侦测器侦测到较弱的讯号(比较暗),如图4-54(b)所示,同学们一定有这样的经验,地上的凹洞比较暗,就是因为太阳光照射到凹洞内反射的光比较少的缘故。将这些强弱的讯号画成二度空间的灰阶图形,就可以得到如图4-54(c)所示的扫描式电子显微镜(SEM)照片(本书前面所有的灰阶照片均为扫描式电子显微镜照片),扫描式电子显微镜(SEM)的解析度很高,可以用来观察大约100nm(奈米)的结构,但是只能观察物体表面的高低起伏,所以表面平整的物体无法使用。

场发射扫描式电子显微镜(FEGSEM:Field Emission Gun Scanning Electron Microscopy)
使用六硼化镧(LaB6)或奈米碳管(CNT)製作成针尖小于100nm(奈米)的奈米尖端来发射电子束(场发射),奈米尖端可以使电子束的直径缩小到10nm(奈米)左右,请参考图1-6(b)所示,其原理与扫描式电子显微镜(SEM)相同,如图4-54(d)所示为场发射扫描式电子显微镜(FEGSEM)照片,场发射扫描式电子显微镜(FESEM)的解析度更高,可以用来观察大约10nm(奈米)的结构,但是只能观察物体表面的高低起伏,所以表面平整的物体无法使用。

穿透式电子显微镜(TEM:Transmission Electron Microscopy)
使用钨丝来发射电子束(热游离),当电子束穿透物体时,电子受到物体原子排列的影响而散射,最后投影在投影银幕上,如图4-55(a)所示,我们可以由电子束在投影银幕上的二维投影图,反过来推算物体原子的三维结构与结晶情形。使用穿透式电子显微镜必须让电子束可以「穿透」试片,因此在观察之前必须先将试片加工研磨成小于200nm(奈米)的厚度才行,如何将试片研磨到这麽薄又不破坏物体原有的结构是非常困难的事,将电子束在投影银幕上的二维投影图送入电子束侦测器,就可以得到如图4-55(b)所示的穿透式电子显微镜(TEM)照片,穿透式电子显微镜(TEM)的解析度很高,可以用来观察大约10nm(奈米)的结构,而且可以分辨不同材料组成的平面物体,也可以观察物体的横截面。

高解析度穿透式电子显微镜(HRTEM:High Resolution Transmission Electron Microscopy)
使用六硼化镧(LaB6)或奈米碳管(CNT)製作成针尖小于100nm(奈米)的奈米尖端来发射电子束(场发射),奈米尖端可以使电子束的直径缩小到10nm(奈米)左右,请参考图1-6(b)所示,而它的成像原理与传统的穿透式电子显微镜(TEM)略有不同,在此不再详细讨论,如图4-55(c)所示为高解析度穿透式电子显微镜(HRTEM)照片,高解析度穿透式电子显微镜(HRTEM)的解析度是目前所有电子显微镜中最高的,可以用来观察大约1nm(奈米)的结构,因此可以看到「虚拟」的原子影像,如图4-55(c)中的颗粒状影像,为什麽是「虚拟」而不是真实的原子影像呢?别忘记,这些影像其实只是电子受到物体原子排列的影响而散射,最后投影在投影银幕上的二维投影图而已,还必须反过来推算,才能得到物体原子真正的三维结构与结晶情形,目前已经有这种反向推算的技术,但是推算完成后也只能得到电脑绘出的三维原子排列图形(电脑绘图),已经不算是真正的「照片」了。

扫描穿遂显微镜(STM:Scanning Tunneling Microscopy)
使用硅晶圆或奈米碳管(CNT)製作成针尖小于100nm(奈米)的奈米尖端,当奈米尖端由「金属固体」表面扫过时,尖端接触「金属」表面会导电,利用导电的大小来控尖端随物体表面高低起伏而上下移动,如图4-56(a)所示,可以量测「金属固体」(良导体)表面。将尖端上下移动情形记录下来,并且利用电脑模拟物体表面三维高低起伏而绘出相对应的三维图形。扫描穿遂显微镜(STM)的解析度与奈米尖端的尺寸有关,可以用来观察大约1nm(奈米)的结构,因此可以看到由电脑模拟的原子影像。

原子力显微镜(AFM:Atomic Force Microscopy)
使用硅晶圆或奈米碳管(CNT)製作成针尖小于100nm(奈米)的奈米尖端,当奈米尖端由「任何固体」表面扫过时,尖端接触「任何固体」表面都会产生作用力(称为「凡得瓦力」),利用作用力的大小来控尖端随物体表面高低起伏而上下移动,如图4-56(a)所示,可以量测「任何固体」(良导体、半导体、非导体)表面。将尖端上下移动情形记录下来,并且利用电脑模拟物体表面三维高低起伏而绘出相对应的三维图形,如图4-56(b)与(c)所示。原子力显微镜(AFM)的解析度与奈米尖端的尺寸有关,可以用来观察大约1nm(奈米)的结构,因此可以看到由电脑模拟的原子影像。

 

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