高中物理(高一)
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補充教材:電子顯微鏡的分類

以現代化的科學技術製成電子顯微鏡 (electron microscopy, EM):應用高速電子的物質波聚焦樣品,因其波長遠小於可見光波,故其解析度(約0.1奈米)遠高於光學顯微鏡的解析度,因而可以提高放大率。

(1) 穿透式電子顯微鏡 (transmission electron microscopy, TEM):

 a. 穿透式電子顯微鏡利用電子束射穿厚度僅為數奈米至數微米的樣品, 可以顯示樣品的內部狀態,並非以電子打在物體的表面,已顯示物體表面高低起伏的狀況。因此TEM無法呈現一隻蚊子的放大影像,但卻能使藏身於昆蟲細胞中的病毒原形畢露。

 b. 利用電子束的繞射影像,可以分析樣品的晶體結構。

 c. 進一步發展的能量過濾穿透式電子顯微鏡 (energy filtered transmission electron microscopy,EFTEM) 藉測量電子通過樣品時的速度改變,可以推測出樣品的化學組成及其分布。

(2) 掃描探針顯微鏡 (scanning probe microscopy,SPM) 是所有使用各種不同類型的探針,在樣品上進行掃描移動,以探測樣品外觀的影像。其解析度主要受到探針大小的限制。

 a. 掃描隧道顯微鏡 (scanning tunneling microscope,STM),亦稱為掃描穿隧式顯微鏡,是最早發明的SPM。

 a-1. 使用一根非常細的鎢金屬探針,當針尖電子跳到待測物體表面時會形成穿隧電流,這是應用了量子理論的穿隧效應。而物體表面的高低則會影響穿隧電流的大小,即可依此來觀測物體表面的形貌。

 a-2. 掃描隧道顯微鏡在極低溫下(4 K)可以利用探針尖端精確操縱原子,因此它在奈米科技既是重要的測量工具,又是可以作為操控加工的工具。

 b. 原子力顯微鏡 (atomic force microscope,AFM):利用探針檢測原子間的凡得瓦力或卡西米爾效應等來呈現樣品的表面特性。

 b-1. 原子力顯微鏡的優點:

  i. STM僅能觀測導體,但AFM的優點是可以觀測導體與非導體,可以彌補STM的限制。

  ii. 掃描電子顯微鏡僅能提供二維圖像,原子力顯微鏡可以提供三維表面圖。

  iii. 原子力顯微鏡不需要對樣品的任何特殊處理,如在樣品表面上鍍銅或碳等導體,這種處理將對樣品造成不可逆轉的破壞。

  iv. 電子顯微鏡需要在高度真空的條件下操作,但原子力顯微鏡可以在常壓下、甚至在液體環境下都可以操作,因此可以用來研究較大的生物實體,甚至活的生物組織。

 b-2. 原子力顯微鏡的缺點:解析度較小,成像範圍較小,操作速度較慢,影像的解析度受探針的影響太大。

 c. 掃描式電子顯微鏡 (scanning electron microscope,SEM) 利用電子束掃描樣品表面。入射的電子導致樣品表面散發出電子,觀察這些散射出來的電子,即可以得到樣品表面結構的高解析度三維圖像。

 c-1. 掃描式電子顯微鏡的放大倍率,可以高達100萬倍。解析度少於100Å(等於10奈米)。

 c-2. 其影像可以精準地描繪出物體的表面,也可以辨識出標品的組成原子。

 c-3. SEM的用途相當廣泛,例如:工業上可以運用SEM探索材料是否會因金屬疲勞、鏽蝕等原因無法抵抗外力而斷裂。工程師使用SEM分析噴射機引擎的濾油器所殘留的廢液,據以找出哪些引擎零件產生了耗損。病理研究人員使用SEM觀察細胞,用以辨認骨骼退化的狀況、或器官組織是否受到細菌的侵襲。

 d. 場發射掃描電子顯微鏡 (field emission scanning electron microscope, FESEM):是一種比較簡單的電子顯微鏡,樣品因強電場導致「場發射」散發出電子,即可藉此觀察樣品的影像。

(3) 掃描透射電子顯微鏡 (scanning transmission electron microscopy,STEM):使用電子束穿透、並加以掃瞄樣品,藉此獲得觀察樣品的影像。

請自行參考:

圖:使用電子顯微鏡觀察矽晶體表面原子結構
(Franz Giessibl http://unews.utah.edu/p/?r=031306-43

圖:使用電子顯微鏡的操控技術,移動鐵原子排成的原子字樣
(IBM Corporation http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/atomo.html

圖:使用電子顯微鏡的操控技術,由一氧化碳分子排列成的人形圖案
(IBM Corporation http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/atomo.html

0最後修改紀錄: 2010/09/30(Thu) 02:23:29


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