透射电子显微镜分辨率优化技巧

光学显微镜的分辨率取决于照明光源的波长，在可见光波长范围，光学显微镜分辨率的极限为200nm。1924年，德布罗意（De Broglie）鉴于光的波粒二相性提出这样的假设：运动的实物粒子（静止质量不为零的那些粒子：电子、质子、中子等）都具有波动性质，后来被电子衍射实验所证实。运动电子具有波动性使人们想到可以用电子束作为电子显微镜的光源。对于运动速度为υ，质量为m的电子，其波长λ可根据德布罗意公式计算，即

式中，h为普朗克常数，h=6.626×10―34J·s。

一个初速度为零的电子，在电场中从电位为零处开始运动，因受加速电压V（阴极和阳极的电压差）的作用获得运动速度υ，那么加速的每个电子（电子的电荷为e）所做的功（eV）就是电子获得的全部动能，即

加速电压比较低时（即电子运动速度较低时），电子运动的速度远小于光速，它的质量近似等于电子的静止质量，即m≈m0，合并式（3―1）和式（3―2）得

把h=6.626×10―34J·s，e=1.60×10―19C，m0=9.11×10―31kg代入，得

式中，λ为电子波长，单位nm；V为加速电压，单位V。

式（3―4）说明电子波长与其加速电压平方根成反比；加速电压越高，电子波长越短。

一般对于低于500eV的低能电子来说，用式（3―3）计算波长已足够准确，但透射电子显微镜的加速电压在80～300kV或更高，而超高压电子显微镜的电压在1000～2000kV。对于这样高的加速电压，上述近似不再满足，因此必须引入相对论校正，即(www.xing528.com)

式中，c为光速。

表3―1中列出了不同加速电压下电子的波长。从表中可知，电子波长比可见光波长短得多。以电子显微镜中常用的80～200kV的电子波长来看，其波长仅为0.004 18～0.002 51nm，比可见光小5个数量级。

表3―1　不同加速电压下的电子波长

提高加速电压，缩短电子的波长，可提高显微镜的分辨本领；加速电子速度越高，对试样穿透的能力也越大，这样可放宽对试样减薄的要求。厚试样与近二维状态的薄试样相比，更接近三维的实际情况。加速电压与电子的穿透厚度的关系如图3―2所示。目前使用最多的是200kV和300kV的常规电子显微镜，加速电压再高的高压电子显微镜由于价格昂贵、体积庞大，使用的较少。

图3―2　加速电压与电子的穿透厚度的关系

透射电子显微镜的实际分辨率通常有多种，主要有点分辨率和晶格分辨率。点分辨率即透射电子显微镜刚能分清的两个独立颗粒的间隙或中心距离；晶格分辨率与点分辨率不同，点分辨率就是实际分辨率，而测量晶格分辨率的晶格条纹像实际是晶面间距的比例图像。