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探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)之透射電子顯微鏡 透射電子顯微鏡

除了波長(zhǎng)限制了透射電鏡的分辨率，透射電鏡的像差，包括色差、球差、像散和畸變，也使得透射電鏡的分辨率難以突破1 。20世紀(jì)末，球面像差校正器研制成功 。球差校正電鏡減少了非定域效應(yīng)的影響，進(jìn)一步提高了透射電鏡的分辨率，達(dá)到了亞埃級(jí) 。隨著球差校正電子顯微鏡的普及，球差校正電子顯微鏡正在逐步形成和發(fā)展 。此外，近20年來，隨著電子顯微鏡的不斷發(fā)展，掃描透射電子顯微鏡技術(shù)(STEM Figure 4為其圖像)已成為一種廣泛使用的表征方法 。與傳統(tǒng)的高分辨率相襯成像技術(shù)相比，掃描透射電子顯微鏡具有分辨率高、對(duì)化學(xué)成分敏感、圖像直觀、易于判讀等優(yōu)點(diǎn) 。其中，高分辨率掃描透射電鏡可以直接獲得原子分辨率的Z襯度圖像 。結(jié)合X射線能譜和電子損失譜，還可以得到原子分辨率的元素分布圖和單個(gè)原子陣列的能量損失譜 。因此，在一次實(shí)驗(yàn)中就可以獲得原子分辨結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和電子結(jié)構(gòu)的信息 。
【探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)之透射電子顯微鏡 透射電子顯微鏡】圖4富鋰材料表面的STEM圖像
透射電子顯微鏡的應(yīng)用
透射電子顯微鏡具有分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，可以與其他技術(shù)相結(jié)合 。廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域 。
材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)材料的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等物理化學(xué)性質(zhì)起著決定性的作用 。透射電子顯微鏡作為材料表征的重要手段，不僅可以在衍射模式下研究晶體結(jié)構(gòu)，還可以在成像模式下獲得real 空之間的高分辨率圖像，即直接對(duì)材料中的原子成像，直接觀察材料的微觀結(jié)構(gòu) 。電子技術(shù)在促進(jìn)新材料的發(fā)現(xiàn)方面也起了很大的作用 。借助透射電子顯微鏡，D.Shechtman發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體，重新定義了晶體，豐富了材料科學(xué)、晶體學(xué)和凝聚態(tài)物理的內(nèi)涵 。D.Shechtman獲得2011年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 。
在物理學(xué)領(lǐng)域，電子全息術(shù)可以同時(shí)提供電子波的振幅和相位信息，這使得這種先進(jìn)的微觀分析方法被廣泛應(yīng)用于與相位密切相關(guān)的磁場(chǎng)和電場(chǎng)分布的研究 。目前，電子全息術(shù)已用于測(cè)量半導(dǎo)體多層薄膜器件的電場(chǎng)分布和磁性材料中的磁疇分布 。中國(guó)科學(xué)院物理研究所的張哲、朱滔等 。利用高分辨電子顯微鏡和電子全息術(shù)研究了退火處理前后鈷基磁性隧道結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)勢(shì)壘層結(jié)構(gòu)的變化 。結(jié)果表明，退火處理可以明顯改善阻擋層與上下電極的界面質(zhì)量，改善阻擋層本身的結(jié)構(gòu) 。
在化學(xué)領(lǐng)域，原位透射電子顯微鏡以其空的超高分辨率為氣相和液相化學(xué)反應(yīng)的原位觀察提供了重要手段 。原位透射電子顯微鏡用于進(jìn)一步了解化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理和納米材料的轉(zhuǎn)變過程，以便從化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)來理解、控制和設(shè)計(jì)材料的合成 。目前，原位電子顯微鏡在材料合成、化學(xué)催化、能源應(yīng)用和生命科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用 。透射電子顯微鏡可以在極高的放大倍數(shù)下直接觀察納米顆粒的形貌和結(jié)構(gòu)，是納米材料最常用的表征方法之一 。天津大學(xué)的和美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的L.xin用原位透射電鏡觀察了Co-Ni雙金屬納米顆粒在氧化過程中的形貌變化 。完全混合的Co和Ni合金顆粒被氧化后，Co和Ni發(fā)生部分分離空，并從理論上解釋了這一現(xiàn)象 。
在生物學(xué)領(lǐng)域，經(jīng)常使用X射線晶體學(xué)和核磁共振來研究生物大分子的結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)的位置精度可以確定到0.2 nm，但各有各的局限性 。x射線晶體學(xué)以蛋白質(zhì)晶體為基礎(chǔ)，往往研究分子的基態(tài)結(jié)構(gòu)，而對(duì)分析分子的激發(fā)態(tài)和過渡態(tài)無能為力 。大分子在體內(nèi)經(jīng)常相互作用形成復(fù)合物，這些復(fù)合物的結(jié)晶非常困難 。核磁共振雖然可以獲得溶液中分子的結(jié)構(gòu)，研究分子的動(dòng)態(tài)變化，但主要適用于研究分子量較小的生物大分子 。近年來，冷凍電鏡技術(shù)突破了冷凍成像和圖像處理的瓶頸，發(fā)展成為廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)生物學(xué)的新技術(shù) 。它可以快速、高效、簡(jiǎn)單、高分辨率地分析高度復(fù)雜的超大生物分子結(jié)構(gòu)，大大超越了傳統(tǒng)的X射線晶體學(xué)技術(shù) 。清華大學(xué)研究組通過從酵母細(xì)胞中提取內(nèi)源性蛋白質(zhì)獲得了性質(zhì)良好的樣品，并利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)在近原子水平上分析了酵母剪接體的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，闡述了剪接體剪接信使RNA前體的工作機(jī)制 。
透射電子顯微鏡的發(fā)展方向
目前，透射電鏡有幾個(gè)重要的發(fā)展方向 。第一，分辨率的提升 。分辨率一直是透射電鏡的發(fā)展目標(biāo)和方向 。應(yīng)開發(fā)新一代單色儀和球差校正器，以進(jìn)一步提高透射電子顯微鏡的能量分辨率和空分辨率，特別是對(duì)于低壓電子顯微鏡 。第二，發(fā)展原位透射電鏡技術(shù) 。原位透射電鏡在材料合成、化學(xué)催化、生命科學(xué)和能源材料等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用 。通過在原子尺度上實(shí)時(shí)觀察和控制氣相反應(yīng)和液相反應(yīng)，可以研究反應(yīng)的本質(zhì)機(jī)理等科學(xué)問題 。第三，它在生物大分子結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用更加廣泛 。低溫顯微鏡在生物大分子結(jié)構(gòu)研究中的廣泛應(yīng)用將推動(dòng)低溫顯微鏡技術(shù)的不斷發(fā)展 。冷凍電鏡在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視，已經(jīng)成為連接生物大分子和細(xì)胞的紐帶和橋梁 。
從透射電子顯微鏡誕生到今天的80多年，人們借助透射電子顯微鏡解決了許多科學(xué)問題 。透射電子顯微鏡也在發(fā)展進(jìn)步，功能越來越全面，性能越來越好 。雖然在研制過程中還存在一些問題和挑戰(zhàn)，但相信在全體科研工作者的共同努力下，問題終將得到解決，TEM的各項(xiàng)技術(shù)將得到進(jìn)一步發(fā)展和突破 。

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