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用電子觀測:解析穿透式電子顯微鏡構造

穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscopes, TEMs) 隨著新一代的自動化系統、簡易操作的軟體介面與放置儀器的空間減少而越容易使用,但對於從未使用過穿透式電子顯微鏡的初學者來說仍會怯步。然而在他們學習操作時可能會訝異這些儀器與之前所熟悉的光學顯微鏡並沒有太大的差別。

光學顯微鏡

為了瞭解穿透式電子顯微鏡如何運作,首先我們先從光學顯微鏡(圖一)的原理開始介紹。在光學顯微鏡中,光源置於樣品的下方,而樣品的厚度需可透光(如果不能透光,物體會呈現黑色畫面且無法辨別細節),光源通過聚光透鏡投射到樣品表面,並在樣品上產生聚焦點,當光源和樣品交互作用後,光分子會選擇性吸收或反射某些種類的光,進而在圖像上呈現出不同顏色與對比,透鏡會將投射的圖像資訊轉換為我們眼睛所能辨識的放大圖像。

(圖一)光學顯微鏡重要元件之示意圖

電子顯微鏡

以穿透式電子顯微鏡為例,電子束取代了光源。由於在真空下電子的波粒二象性,呈現出像是一般光源光子的行為,然而電子行進的波長比可見光還短,使電子能比一般光源呈現出更小的細節表徵,穿透式電子顯微鏡的聚光鏡不是使用玻璃材質,而是使用電磁透鏡或靜電透鏡,所產生的電磁場能引導和聚焦電子;樣品一樣放置在入射光束的聚焦點上,但是樣品的厚度要更薄才能讓電子作用。 (典型的TEM樣品厚度約為0.1 μm,取決於材料類別)。如同光學顯微鏡般,電子束與樣品交互作用後會獲得對比和成分的相關資訊,由於我們的眼睛無法感知電子,無法將讓眼睛作為檢測器,取而代之的是透過電子成像設備將電子信號轉換為灰階圖像,透過圖像我們可以觀察到樣品因不同厚度與密度所造成的對比度差異。

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(圖二)穿透式電子顯微鏡和光學顯微鏡的比較,將兩者相似的零件相對應。
註:將光學顯微鏡顛倒放置以更清楚對應到穿透式電子顯微鏡的構造。

兩種儀器比較

總體而言,儘管兩種儀器控制和引導入射光束的原理不同,但圖像生成的過程大致相同。光源或電子束透過與樣品交互作用後,因不同能量的差異變化最終產生出不同特徵的圖像。期望這篇提供的快速比較能消除您在初學穿透式電子顯微鏡時產生的恐懼,能夠使用穿透式電子顯微鏡獲得傑出的結果。

 

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原文連結: https://www.thermofisher.com/blog/microscopy/seeing-with-electrons-the-anatomy-of-an-electron-microscope/

 

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