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北京大学 物理系 研究生课程：透射电子显微学-2006 引言 电子显微学的发展史 人们对物质微观结构的认识进程 图 1－1 对物质结构认识的过程 电子显微学是一门探索电子与固态物质结构相互作用的科学，它开始于上世纪 30 年代， 经过几十年的不断发展和完善，现在已经成为凝聚态物理、半导体电子技术、材料、化学、生 物、地质等多学科的非常重要的研究手段。尤其是，随着科学技术发展进入纳米科技时代，电 子显微镜更是显示出其强大的威力。可以说，假如没有电子显微镜，现代科学技术是不可想象 的，它的发展与其他学科的发展息息相关，密切联系在一块的。以下是电子显微学发展史上一 些重要的进程： 俞大鹏 2006-9 1 北京大学 物理系 研究生课程：透射电子显微学-2006 图 1－1 世界上第一台光学显微镜始创于 1670 年左右。该显微镜利用聚光镜获得照明。 世界上第一台电子显微镜始创于 1932 年，它由德国科学家 Ruska 研制，奠定了利用电 子束研究物质微观结构基础； 图 1－2 德国科学家 Ruska （左）与他的第一台电子显微镜（1932 年） 1946 年，Boersch 在研究电子与原子的相互作用时提出，原子会对电子波进行调制， 改变电子的相位。他认为利用电子的相位变化，有可能观察到单个原子，分析固体中 俞大鹏 2006-9 2 北京大学 物理系 研究生课程：透射电子显微学-2006 原子的排列方式。这一理论实际上成为现代实验高分辨电子显微分析方法的理论依据； 1947 年，德国科学家 Scherzer 提出，磁透镜的欠聚焦（即所谓的 Scherzer 最佳聚焦， 而非通常的高斯正焦）能够补偿因透镜缺陷（球差）引起的相位差，从而可显著提高 电子显微镜的空间分辨率； 1956 年，英国剑桥大学的 Peter Hirsch 教授等人不仅在如何制备对电子透明的超薄样 品，并观察其中的结构缺陷实验方法方面有所突破，更重要的是他们建立和完善了一 整套薄晶体中结构缺陷的电子衍射动力学衬度理论。运用这套动力学衬度理论，他们 成功解释了薄晶体中所观察到的结构缺陷的衬度像。因此 50~60 年代是电子显微学蓬 勃发展的时期，成为电子显微学最重要的里程碑； 晶体理论强度、位错的直接观察－50 －60 年代电子显微学的最大贡献； 1957 年，美国 Arizona 洲立大学物理系的 Cowley 教授等利用物理光学方法来研究电子 与固体的相互作用，并用所谓“多层法”计算相位衬度随样品厚度、欠焦量的变化， 从而定量解释所观察到的相位衬度像，即所谓高分辨像。Cowley 教授建立和完善了高 分辨电子显微学的理基础； 1971 年，Iijima 等人首次获得了可解释的氧化物晶体的高分辨电镜像，证实了他们所 看到的高分辨像与晶体结构具有对应关系，是晶体结构沿特定方向的二维投影； 图 1－3 日本科学家饭岛（Iijima ）在WO3-x 晶体中获得了的可解释的高分辨透射电子显微 俞大鹏 2006-9 3 北京大学 物理系 研究生课程：透射电子显微学-2006 镜像（1971 年） 70~80 年代，分析型电子显微技术兴起、发展，可在微米、纳米区域进行成分、结构 等微分析； 1982 年，英国科学家 Klug 利用高分辨电子显微技术，研究了生物蛋白质复合体的晶 体结构，因而获得了诺贝尔化学奖； 1984 年，美国国家标准局的 Shechtman 等科学家、中科院沈阳金属所的郭可信教授等， 利用透射电子显微技术，发现了具有 5 次、8 次、10 次，及 12 次对称性的新的有序结 构准晶体，极大地丰富了材料、晶体学、凝聚态物理研究的内涵； 1982 年，瑞士 IBM 公司的 G. Binning, H. Rohrer 等人发明了扫描隧道显微