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扫描隧道显微镜和电子显微镜,差别还挺大的。
从原理上粗略地讲,电子显微镜其实和光学显微镜更相似。光学显微镜是利用光照射样品,收集样品反射回来的光子,通过光学透镜调整光路,最后看到放大的样品。
电子显微镜只不过把光束换成了电子束,把光学电镜换成了电子学透镜。因为电子束的衍射极限比光束小,最后能实现的最小分辨率会更高。不过,电子和样品的作用会更负责一些,会产生反射电子、透射电子、二次电子等。
电镜大致可分为两类,扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。
扫描电子显微镜拿电子束逐点扫描测试样品,收集反射回来的电子、或激发二次电子、或背散射电子,形成图像。它的成像精度没有透射电镜高,但是表征速度快,对样品几乎没有限制。
透射电镜则使用电子束透过样品,到达样品底部的探测器,形成图像。就好像放电影时,光束透过胶片,在屏幕上成像。TEM的精度要高很多,并且能够获得样品内部信息。
还有一种将两者结合的扫描透射电子显微镜(STEM )。STEM通过场发射电子枪产生高能电子束,并利用扫描线圈将电子束聚焦至纳米甚至原子尺度,对薄样品逐点扫描。但STEM收集的是电子束穿透样品后,产生透射电子、散射电子及特征X射线等信号。
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细菌的SEM(左图)和TEM(右图)图像。SEM显示的是表面上的大量细菌(绿色),而TEM图像则展示了单个细菌的内部结构。https://www.thermofisher.cn/blog/accelerating-science-in-china/tem-vs-sem-whats-the-difference/
扫描隧道显微镜(STM)则是扫描探针显微镜(SPM)的一种。它的工作原理是,当针尖和样品表面靠得很近(纳米或亚纳米级)时,在针尖和样品直接施加电压,由于量子力学中的隧穿效应 ,电子会越过真空能级,形成电流,即隧穿电流。我们通过探测隧穿电流,实现对样品表面的探测。或者更准确地讲,探测到样品表面的电子态密度信息。
类似的还有原子力显微镜(AFM),AFM探测的则是原子之间的作用力,包括Morse势、泡利排斥、范德华力等。因而,相比STM,AFM的应用范围就更广了,它对物体的导电性没有要求,也可以应用于绝缘体。但相比STM,AFM针尖与样品之间的相互作用更加复杂,精确地定量分析和理论模拟也更加困难。
目前常见的AFM主要有悬臂AFM和QPlus AFM两种,它们探测的力的范围不同,设备结构上也有一定的区别。
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至于其他相对常见的显微镜,还有光发射电子显微镜 (PEEM)。它更特殊一些,是“光进电子出”的探测手段。使用紫外光照射样品表面,因为光电效应,会发射出电子,收集这些电子进行成像,即实现了PEEM探测。分析PEEM图像,能获得表面形貌、化学状态或磁结构等信息,这里就不展开讲了。
顺便,在PEEM上安装电子能量分析器,进一步探测光电子的能量,就可以对动量空间进行成像(实空间成像和K空间成像可切换)。所以,也可以称呼它为动量显微镜。
要说显微镜有什么共性,想获得实空间的高分辨信息,设备对振动都很敏感。如果场地条件不好,就得设计减震方案。可能也就光学显微镜分辨率一般,对减震没那么讲究。
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