電子顯微鏡:揭開肉眼看不見的世界

Luigi Raspolini (Thermo Fisher Scientific SEM領域專家與工程師) 著

勀傑科技 譯

光學顯微鏡的解析度受限於光的波長,為了獲得更精細的影像,科學家利用電子製造了電子顯微鏡。電子顯微鏡的解析度是光學顯微鏡的1,000倍之多,甚至達到奈米等級。

電子顯微鏡主要分為SEM及TEM兩種。前者藉由電子束掃描樣品的表面,使樣品表面上產生電子訊號,再經電子偵測器接收後合成圖像;後者則是利用較高的加速電壓,使電子束將獲得足夠的能量穿透樣品,並由偵測器接收訊號。

SEM的特色為價格較低,容易建置與操作;TEM則價格高昂且需要更大的專屬空間,並需要由專業人員操作,影像解析能力較強。

1931年,德國物理學家魯斯卡(Ernst Ruska)製造出第一台電子顯微鏡,這項發明也讓他在1986年獲得了諾貝爾物理學獎。而電子顯微鏡的誕生,其實源自於一個簡單的想法:「可以使用電子而非光波來激發樣品表面,並由產生的電子訊號組成圖像嗎?」

我們都知道,光學顯微鏡的優點是操作簡單且造價不高,加上使用的門檻較低,使科學家能快速獲得初階的樣品資訊。此外,光學顯微鏡也因容易與光譜技術結合使用,可以說每一位科學家都曾經使用過光學顯微鏡。然而,這項技術卻有一個使用上的限制,那就是「光的波長」。

在物理學中,光學顯微鏡可以達到的最佳解析度(image resolution)為光波長的一半﹝註一﹞,所以這類儀器解析度的極限約為0.2微米(㎛)﹝註二﹞

﹝註一﹞相關知識讀者可請參閱衍射極限(diffraction-limited system)相關文獻。

﹝註二﹞1微米是1毫米(mm)的千分之一,而人的頭髮平均為50~70微米。

這代表什麼意思呢?解析度可以透過兩條線的最短距離來查驗,當這些線越來越接近,就代表我們越不易分辨出這兩條線。若以肉眼觀察,人類大約可以分辨出約200微米的間距,而光學顯微鏡則能夠將這一限制擴大1,000倍。讀者可能會好奇,那電子顯微鏡難道可以再放大1,000倍嗎?事實上,電子顯微鏡的確可以辦到。接下來,我們將討論電子顯微鏡是如何產生成像(圖一)。

電子怎麼產生與成像?

電子顯微鏡是依靠特殊材料來產生電子,我們稱之為電子源。為了避免材料氧化,科學家會將電子源加熱並保持在超高真空的環境中。當電子源具有充足的能量時,電磁場會從電子源中提取出電子,這時的電子就可以自由地朝任何方向移動。這個概念就像聚光一樣,電子會藉由透鏡聚焦,進而形成電子束。

但如果是使用一般的玻璃透鏡,電子在撞擊到玻璃時會被重新吸引,進而改變行徑路線。為了解決這個問題,德國物理學家布希(Hans Busch)發明了「電磁透鏡」(electromagnetic lens)技術,使我們能夠以更高的精確度操縱並聚焦電子束。該方法是將電子束聚焦經過多個電磁透鏡,並將電子加速到所需的電壓,確保電子束的截面能維持完整的圓形與聚焦。

所有的電子顯微鏡都能看到原子嗎?

其實不是所有的光學顯微鏡都能達到0.2微米的理論極限,同理,也不是所有的電子顯微鏡都能看見樣品結構中的原子,這取決於每一種電子顯微鏡的特性。

圖一:顯微鏡的觀察區間

人類肉眼觀測的極限約為100微米,而光學顯微鏡的觀測範圍則為1毫米~1微米左右。電子顯微鏡則能看到更細微的影像,極限約為1奈米的範圍。

電子顯微鏡的種類

電子顯微鏡(electron microscopes, EM)主要分為兩種,分別為掃描式電子顯微鏡 (scanning electrons microscopes, SEM),以及穿透式電子顯微鏡 (transmission electron microscopes, TEM)。

SEM的電壓範圍通常介於1~25千伏(kV),此顯微鏡是藉由電子束掃描樣品的表面,使樣品表面上的每一個位置產生電子訊號,經電子偵測器接收彈射出的特定訊號後合成圖像。一般來說,SEM可以掃描幾毫米大小的樣品,並分辨其中的單一奈米顆粒。

相反的,TEM則需在更高的電壓下工作,最高可達300 kV。當提高加速電壓時,電子束將獲得足夠的能量來穿透樣品,並從另一端的偵測器接收特定的電子訊號。為了增加透射電子的數量,TEM通常需要額外使用配有離子束的電子顯微鏡來製備這類樣品,並將樣品做成薄片(lamellae)。

然而,不是每一個TEM都能顯示原子,主要是因為在製備樣品時需要一個額外的步驟,稱為「減慢原子振動(slow down the atomic vibration)」,通常需要將樣品溫度降低到接近絕對零度時才能實現這樣的狀態。對此,蘇格蘭分子生物學家韓德森(Richard Henderson)研發出低溫電子顯微鏡(Cryogenic electron microscopy, cryo-EM),這項發明獲得了2017年的諾貝爾化學獎,並被用來創建第一個精準的原子3D模型與重建生物結構。而這項技術也為2019冠狀病毒疾病(COVID-19)疫情做出貢獻,科學家利用cryo-EM重建新冠病毒表面的蛋白質,用以監測和預測病毒突變的影響。

圖二:掃描式電子顯微鏡(SEM)與穿透式電子顯微鏡(TEM)原理比較

SEM(左)藉由電子束掃描樣品的表面,使樣品表面彈射出不同的電子訊號,再經電子偵測器接收後合成圖像;

TEM(右)則是提高加速電壓後,電子束將獲得足夠的能量來穿透樣品,並由另一端的偵測器接收不同的訊號﹝註三﹞。

﹝註三﹞相關知識讀者可請參閱二次電子、背向散射電子、非彈性散射電子、彈性散射電子、穿透電子等相關文獻。

SEM可以觀察哪些樣品?

幾乎所有的固態樣品都可以利用SEM進行觀察,只是某些樣品需要經過特殊的處理,例如離子研磨、表面濺鍍金或鍍碳、電漿清洗等前製備處理方式。透過上述這些步驟,才能使樣品表面形貌能更容易且準確地進行觀察分析。

由於SEM放置樣品的樣品倉處於真空狀態,因此SEM的樣品本身需要能承受低真空的環境。之所以要放在真空的環境,是為了讓電子束不被空氣中的氣體分子干擾,進而準確到達指定的樣品位置,使訊號彈射回偵測器後進而呈現影像。

此外,SEM還有另外一種可在接近大氣的真空壓力下運行的顯微鏡類型﹝註四﹞,稱為環境掃描式電子顯微鏡(Environmental scanning electrons microscopes, ESEM)。ESEM能對更多種類的樣品進行觀察,但是相對來說成像的解析度較低。

﹝註四﹞ESEM的使用環境約為600 Pa,而一般SEM使用的真空壓力則僅為1 Pa。

電子顯微鏡長什麼樣子?

由飛利浦公司(Philips)研發的第一台商業用的SEM是「EM100」,這台電子顯微鏡的歷史可以追溯到1950年代。考量到當時的技術水準,EM100是透過類似X-ray機台的方式將畫面呈現在底片上。而在現今的資訊數位化時代下,將電子顯微鏡連接至電腦及顯示器已然成為顯微鏡輸出的主流工具。

圖三:飛利浦的第一台商業用SEM EM100

後來SEM的設計更傾向微型化。隨著科技進步,美國的電子顯微鏡製造商FEI公司在2006年發表了首款桌上型掃描式電子顯微鏡,其體積相當於一台桌上型的電腦,可輕巧建置於實驗桌上,並能達到奈米等級的影像分辨率。

圖四: 掃描式桌上型電子顯微鏡(SEM) 研究實驗室

SEM屬於多功能且具備複合式的精密儀器,可針對應用需求搭配多款專門分析軟體,例如元素分析、粒徑分析、纖維統計、自動化功能等。

圖五:SEM元素分析軟體;可分析樣品指定範圍中的點、線、面,具有的元素含量與分布情形。

圖六:SEM粒徑分析軟體;可量測粉末顆粒的尺寸、凹凸性等粒度數據。

圖七:SEM纖維統計軟體;可統計纖維直徑、長度、密度等數據。

另一方面,比起SEM,TEM的尺寸則較大。TEM的用途主要為解析原子的模型。為了避免振動、噪音、磁場干擾等,與小體積SEM不同的是,TEM通常會需要使用獨立的專屬空間。

電子顯微鏡該如何選?

電子顯微鏡使用電子束取代了光源,因電子波長比可見光波還短,使電子顯微鏡比一般光學顯微鏡能提供更高解析的影像,這也是為什麼目前在半導體產業及奈米材料研發中心都採用電子顯微鏡的原因。那麼同樣都是電子顯微鏡,我們要如何選擇SEM或TEM呢?

主要的決定因素是價格及操作便利性。TEM比起SEM可為使用者提供更高的影像解析能力,以及更多材料特性的訊息,但價格則更加昂貴且佔地空間大,並且需要更多專業知識及操作技巧,甚至需要完善的樣品前置備處理,才能獲得滿意的結果。由於TEM是藉由電子束穿透樣品來得到電子影像,所以樣品的厚度必須數十奈米到數百奈米之間;反之,SEM價格相對親民,且容易建置與操作,即能獲得一定品質的影像分析結果。

綜合上述的比較來看,選擇使用SEM或TEM主要還是取決於檢測樣品的類型與想要得到哪些資訊。而在臺灣也有電子顯微鏡相關的專業顧問團隊,針對不同領域的樣品需求,提供最專業的諮詢與建議。

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