電子顯微鏡第七組

電子顯微鏡第七組 4A240052吳菡勻 4A240054葉伊庭 4A240073許淑晴 4A240096陳孟郁 4A240097劉亭鈺

電子顯微鏡 electron microscope

概述課本內容 電子顯微鏡非常的珍貴，因為它產生的圖像是無法用肉眼或光學顯微鏡看到的，因為可見光的範圍從400nm或4×10-5nm開始，我們不能看見任何小於2×10-5cm的東西，根據課本方程式7.8，一個電子的波長與速度成反比，通過電子加速到非常高的速度，我們可以獲得最短的波長0.004nm。

一、電子顯微鏡（electron microscope，簡稱電鏡或電顯）是使用電子展示物件的內部或表面的顯微鏡。種類 1.透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy TEM）利用透射電子顯微鏡可以直接獲得一個樣本的投影。在這種顯微鏡中電子穿過樣本，因此樣本必須非常薄。樣本的厚度取決於組成樣本的原子的原子量、加速電子所用的電壓和所希望獲得的解析度。樣本的厚度可以從數奈米到數微米不等。原子量越高、電壓越低，樣本就必須越薄。通過改變物鏡的透鏡系統人們可以直接放大物鏡的焦點的像。

圖(1)為透射電子顯微鏡結構示意圖。透射電子顯微鏡主要由四部分組成，分別是電子源、電磁透鏡系統、樣本架，和成像系統。圖(1)為透射電子顯微鏡結構示意圖。透射電子顯微鏡主要由四部分組成，分別是電子源、電磁透鏡系統、樣本架，和成像系統。圖 (1) 透射電子顯微鏡結構示意圖

電子源 • 電子源由陰極和陽極組成。陰極是烏絲線，被加熱時便會發出電子。一個帶負電壓的蓋子把電子稍為聚焦，成為電子束圖(2)。電子束被帶正電壓的陽極加速，射向樣本。電子束邊緣的電子可能落在陽極之上，而在電子束中央的電子則能通過陽極中央的小孔。電子源的原理與陰極射線管相似。圖 (2) 透射電子顯微鏡的電子源

電磁透鏡系統 • 離開了電子源以後，電子束便被電磁透鏡系統及金屬孔徑精確地聚焦。系統只容許能量在某個狹窄範圍的電子通過，使電子束內的電子具有特定的能量。 • 1.磁透鏡：圓形的電磁鐵，可以精確地產生圓形的磁場，用於聚焦電子。2.金屬孔徑：一個很薄的碟狀物，中央有一個細小的圓孔 (圓孔的大小約為 2-100 微米)，用於控制電子束的大小，及過濾出能量不適當的電子。

樣本架 • 是一個裝有機械臂的平台，用以乘載樣本和控制它的位置成像系統 • 透射電子顯微鏡的成像系統由另外一組電磁透鏡系統和屏幕組成。電磁透鏡系統由兩組電磁透鏡組成。當電子穿透樣本後，其中一組透鏡會把電子重新聚焦，另外一組透鏡則用於放大影像及把影像投影至屏幕。屏幕是一個熒光屏，受電子撞擊時便會發出熒光。成像過程與一般攝影過程相似。圖 (3) 透射電子顯微鏡的成像系統

原理 • 透射電子顯微鏡的原理有點像一個幻燈片投影機。投影機利用光線照射幻燈片，幻燈片上的圖案只容許部分光線通過。於是透射的光線便複製了幻燈片上的圖案，投影至屏幕。 • 透射電子顯微鏡的原理也很相似，不同的是它讓電子束 (就像投影機的光束) 穿透樣本 (就像幻燈片)。但是，在透射電子顯微鏡中，電子的透射程度取決於樣本的性質，這些性質包括密度、成份等等。例如，多孔的物料比高密度的物料更易讓電子通過。因此密度不均勻的樣本很適合利用這種方法來檢視。屏幕發出熒光影像便對應於樣本能被電子穿透的部分

2.掃描電子顯微鏡的原理（Scanning electron microscope，SEM) 簡稱掃描電鏡。是一種利用電子束掃描樣品表面從而獲得樣品信息的電子顯微鏡。它能產生樣品表面的高解析度圖像，且圖像呈三維，掃描電子顯微鏡能被用來鑒定樣品的表面結構。掃描電子顯微鏡由三大部分組成：真空系統，電子束系統以及成像系統。

缺點 • 在電子顯微鏡中樣本必須在真空中觀察，因此無法觀察活樣本。在處理樣本時可能會產生樣本本來沒有的結構，這加劇了此後分析圖像的難度。由於透射電子顯微鏡只能觀察非常薄的樣本，而有可能物質表面的結構與物質內部的結構不同。此外電子束可能通過碰撞和加熱破壞樣本。還有，電子顯微鏡觀察到的樣本都是沒有顏色的。 • 現在的最新技術可以在電子顯微鏡中觀察濕的樣本和不塗導電層的樣本（環境掃描電子顯微鏡，Environmental Scanning Electron Microscopes，ESEM）。假如事先對樣本的情況比較清晰的話則可以基本上進行不破壞的觀察。 • 此外電子顯微鏡購買和維護的價格都比光學顯微鏡高出許多。

歷史光學顯微鏡(Light Microscopes)受限於波長繞射的限制，因此解析度只能到300nm左右。為突破對物體微觀世界之觀察，開始有電子顯微鏡(Electron Microscopes)之發展。自十九世紀末（西元1897年）英國科學家湯姆森(J.J. Thomson)發現電子(Electron)以來，在十九世紀末二十世紀初，許多的物理理論相繼發展與驗證，這些科學發展也奠定電子波質二元論之基礎。1927 年美國 Davisson和Germer兩氏以電子繞射實驗證實了電子的波動性。之後J.J. Thomson作陰極射線管實驗時，觀察到電場及磁場可偏折電子束。因此後人開始利用此一觀點，藉由電磁場聚焦電子產生放大作用。電磁場對電子之作用與光學透鏡對光波之作用非常相似，因而發展出電磁透鏡。為探討奈米尺度物體之微觀世界，電子顯微鏡之技術隨著時代不斷的改進，以滿足人類對物體之奈米世界的渴望。談到電子顯微鏡，我們一定會提到對此領域相當有貢獻之諾貝爾獎得主：Ruska。1932年Ruska與Knoll首次將電磁透鏡之構想應用在實際之實驗儀器上，之後於1934年Ruska在其實驗室製作出第一部穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope；TEM)。

二、掃描式穿隧電子顯微鏡 掃描式穿隧電子顯微鏡（STM），使用另一個量子力學的性能在園子樣品的表面上產生圖像，因為它的質量極小，電子能夠移動或"穿隧"通過能量屏障。 STM由鎢金屬針非常小的點，穿隧電子原，針和式樣表面的誘導電子通過隧道空間的樣本的電壓保持，針一到樣本，從表面幾個電子的距離，隧道電流的測量，從樣本電流的距離增減，通過使一個反饋迴路，從表面前端的垂直位置以恆定的距離調整，這些調整的程度，配置文件樣本，被記錄並顯示為一個三維的假彩色圖像。

STM起源 • 掃描穿隧顯微術起源於1980年代初期此技術有效並穩定地操控金屬探針，且利用量子力學的電子穿隧原理，藉探針在距樣品表面僅約幾個原子大小的範圍內來回描，讓原子的排列具體地呈現，有助於我們從基本層面來瞭解許多物理及化學現象。 1981年比尼格和羅勒發明了掃描隧道顯微鏡在1986年，發明者即因此獲頒諾貝爾物理獎

STM原理 • 隧電流的產生是因穿為探針的尖端與金屬表面電子的波函數重疊後，加一高電場誘發電子穿越電位障壁，而進入古典禁止區，這是一種量子的自然現象，無法以古典觀點加以解釋。樣品與探針之間存在一個位能障Vo示意圖

STM的取像方式 (一)定電流取像法（constant current mode） (1）原理: 以探針的高度變化來作為樣品表面的呈像方式，便能反映出樣品表面的形貌。（2）優點: 可容忍待掃描樣品較大的表面高低變化。（3）缺點: 由於必須以回饋信號作為調制，因此掃描速度較慢，容易受到低頻雜訊干擾。改變探針的高度使穿隧電流固定

(二)定高度取像法（constant height mode） (1）原理: 直接以穿隧電流值的變化來作為表面形態的呈像。（2）優點: 可做快速掃描以補捉一些表面動態。（3）缺點: 若掃描範圍內的樣品表面起伏太大，則極容易損壞探針。固定探針的高度，記錄穿隧電流的變化

STM介紹 • 形如三角架的壓電裝置，是控制探針移動的中樞，在貝爾實驗室所架設的掃瞄式穿隧顯微鏡，其壓電三角架可使探針在樣品表面產生最大的位移為1000埃（指XY方向），移動的距離的控制可精確在0.1埃內，而探針的最大的掃瞄速率為1000埃/秒，，因此在數分鐘內可掃瞄100平方埃的面積。

探針垂直於今屬表面的移動是由一回授積體電路加以控制，以便探針掃瞄時得以維持恆定之穿隧電流。若樣品表面突出，則穿隧電流過大，與參考電流比較後將產生差誤電壓，以驅逼探尖向上移動；反之則差誤信號逼使探尖往下移，因此得以記錄樣品表面的形態。探針垂直於今屬表面的移動是由一回授積體電路加以控制，以便探針掃瞄時得以維持恆定之穿隧電流。若樣品表面突出，則穿隧電流過大，與參考電流比較後將產生差誤電壓，以驅逼探尖向上移動；反之則差誤信號逼使探尖往下移，因此得以記錄樣品表面的形態。

STM應用 • 掃描式穿隧顯微鏡最大的功能是應用於表面科學，尤其是觀測最表面層原子排列狀態、晶體表面之缺陷及表面原子之能態。因固體表面層其原子間之結合狀態及原子之排列甚或組成與其本體有所不同。再者吸附於固體表面之原子或分子，其相互間及與表面間之作用，亦與其在氣體狀態下大不相同，因此固體表面的研究不僅可解答許多未知的表面狀態的物理與化學性質的疑難，更因為對發生於固體表面各種過程的了解，有助於催化、防腐、脆化、氧化及長晶等之控制，這些技術與知識在工業上有著極高之應用價值，尤其在半導體工業上，由於積體電路厚度越來越薄，每個元件的表面對體積之比越大，表面的電子狀態支配了電子元件的特性。其與電子工業與化學工業更是關係密切。

至今STM已成為研究表面結構的最重要的儀器之一，而且它的功用已由表面科學演化至其他領域了。有朝一日，我們希望由於它功能繼續演進，使我們得以觀察一個嶄新的原子世界。

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電子顯微鏡 第七組