物质波看天下 | 第一话
研讨标明人类吸收的信息中视觉占80%支配，展现人们眼前的绚丽天下，是基于物质反射的可见光波对人眼作用的后果，比如我们可以用眼睛看到一片活力盎然的绿色植物（图1a）。但人类并不满意于肉眼的察看，而渴望深化察看物质天下的内里。扩大镜和光学显微镜是人类最早创造的用于察看微观天下的仪器。用光学显微镜可以察看到构成植物的木质素细胞（图1b）。但随着时间的推移，光学显微镜无论怎样改良，其区分率都很难再进一步提高。
（a）
（b）
（c）
图1 （a）木质素植物（照相机）， (b)木质素细胞（光学显微镜）， (c) 新冠病毒（电子显微镜）[1]
我们晓得两个点假如能被光学装备区分开，必要满意瑞利判据（Rayleigh Criterion），见图2，它是权衡光学仪器剖析才能的度量。能区分的最小距离δ 近似表现为,
此中，λ 是光源辐射波长，μ 是介质折射率，β 是扩大镜搜集半角。μsinβ 称为数值孔径，近似为单位1。以人眼能观察的短波绿光为例，它的波长约为 550 nm，光学显微体系的最高区分率约为300 nm。
图2 瑞丽判据[2]
固然我们也可以经过改动观察波长，使用紫外线、x射线等，也可增长折射率如油浸显微镜（n=1.5）。但总的来说后果仅限。因此人类开发了多种武艺尽约莫地使用物质波对无机的物质天下、天然的生命体举行探测，人类科技提高也得益于对观察才能的不休提升。图1中的三张照片分散是（a）木质素植物， (b)木质素细胞， (c) 新冠病毒，它们的区分率分散约为：100μm, 1μm, 0.01μm。图1（c）的区分率到达10nm，远远小于人眼和光学显微镜的区分率极限。这一明晰图片的取得，是电子显微镜的成果。
显微武艺提个高事记
下表列出取得诺贝尔奖的成像武艺。
表1 取得诺贝尔奖的优秀装备和成像武艺
从公式（1）可以看出，提高区分率的最主要的途径是减小显微镜光源的波长λ，怎样完成可调波长λ和安定输入光源是显微镜研讨范畴的紧张中心武艺。为此，人们基于物质波的实际，先后开发了电子束光源，离子束光源和中子束光源等优秀的光源武艺，这些优秀的物质波光源照亮了微观天下，也为人们了解和熟悉微观物质天下掀开渴望之窗。
本文将分红如下4个局部: 1. 物质波的看法，2.物质波光源与显微武艺，3.物质波的微观天下，4.展望。
01 物质波的看法–光源的产生的机理
天下是物质的，也是活动的。基于德布罗意的波粒二象性实际，活动的物质粒子既有粒子特性，也具有波的特性：粒子的动量p 和波长λ 经过普朗克常量接洽起来，即
控制辐照光源粒子波长λ 唯一办法就是控制粒子的活动速率。以透射电子显微镜（TEM）中的电子束光源为例，电子被电场增速取得动能，即
电子的动量p 为电子质量m0与电子速率v 的乘积，即
带回（2）式，可得电子束波长和电镜增速电压之间的干系
增速电压V 与电子束波长λ 为反比干系。
当增速电压凌驾100 kV时，电子速率比光速一半还大，因此（5）式需举行相对论修正，即
02 物质波光源与显微武艺简介
2.1 电子束光源
电子是天然界中广泛存在的一种粒子，在各种物质中均存在。但电子通常是被静电力束缚在带正电的原子核周围，在电子显微镜中所必要的在空间中自在活动的电子是很少见的。为此，科研职员创造了电子枪安装产生电子束光源，电子枪的布局和电子束产生的原理见图3。如今的电子枪按布局可分为两类，热发射电子枪和场发射电子枪。
热发射电子枪中用灯丝加热容易发射电子的物质如LaB6等，物质受热后固体内电子的活动速率增长，凌驾逸出功的高能的电子可以挣脱静电力的束缚，从质料中发射出来，见图3a。
场发射电子枪中发射质料有一个十分尖利的顶端，见图3b，在外加电压下尖端的电场强度十分大，导带电子将由量子力学效应随穿逸出，构成电子束。具体事情原理为，第一级电极加几kV正电压，强电场可以将电子从针尖拔出；第二级电极为增速电压，可以用200kV对电子举行增速图3d。场发射电子枪比热阴极电子枪亮度高，干系性好，但本钱也高。电了枪的全体布局照片如图3e所示。
图3 a.LaB6热阴极灯丝尖端；b.场发射W针尖，由特定取向的单晶W制造，尖端尤为尖利；c.灯丝模组；d.场发射灯丝电子抽取电路表现图；e. 电子枪外表[3]
电子束光源功能参数
表2列出了由公式（5）、（6）盘算在稀有增速电压下电子束光源的实质参数，将表1中数据代回公式（1）可知（使用1.22系数），100kV增速电压所对应电子最小区分距离约为4 pm (0.004 nm),远小于原子直径（约0.1 nm）。
表2 电子束实质与增速电压的干系[3]
2.2 离子束光源
离子束显微镜观察样品的原理与电子束显微镜相反，区别在于划一增速电压下，离子束进入样品深度随离子品种而不同，质量小的H+、He+较电子束深，Ga+较电子束浅。表3列出几种离子源在不同增速电压下的区分率。
表3 Ga+、He+束流几个紧张参数之比力[4]
离子束源通常是接纳将单质元素电离的办法取得，可分为液态金属离子源、气体场离子源，电感耦合离子源等几类。
液态金属离子源
有浩繁金属或合金可以作为液态金属离子源（LMIS），但最广泛商业化的是Ga金属的离子源，见图4。Ga具有熔点低（约30 ℃）；不与钨针尖外表反响，可制止长时储存使用中与钨金属产生合金化反响；同时，Ga的蒸气压低，真空中不挥发；外表能低，可以在钨针尖外表被操控等一系列优点。与场发射电子束光源相似，Ga+离子相反也是分两步产生：
图4 Ga离子源和抽取电极表现图[5]
第一步：起首加热Ga源，使之熔化润湿钨丝并流到前端，构成2-5 μm 直径的液滴。随后在108V/cm的电场和液态Ga本身外表张力作用下，液滴尖端会被拉成“泰勒锥”型，此时最尖端直径到达了2-5 nm；第二步：当构成安定均衡的“泰勒锥”后，尖端的Ga以场蒸发情势高听从地离子化并逸出外表，产生1×108A/cm2的高亮度束流，“泰勒锥”随后就会被后端的液态Ga增补维持外形。为确保离子束能量的单色性，必要用单一同位素的Ga原子，因此，Ga离子源价格较贵，在确保1000 h使用寿命时，每个源价格通常在3-8万RMB。
气体场离子源
与液态金属离子源布局相似，气体场离子源(GFIS)的拔出电路表现图如图5所示。极细的单晶W针尖作为气体场离子源的发射极放在距拔出电极指定距离处。单晶W针尖轴向取向为[111]朝向，在最尖端为3个伶仃的原子。拔出极相对离子源是负电位，以获取离子逸出的切合电场。对He离子，在最尖端处必要电场最少为4.4 V/?，对Ne离子则是3.3 V/?。由于针尖特别尖利，这里是针尖等势面最茂密的场合，其电场远宏大于针尖别的地点。因此，He气、Ne气只能在针尖尖端处的几层原子电离为He离子和Ne离子。被拔出极拔出的He离子或Ne离子则持续被增速电场增速，举行入后续磁透镜体系举行成像。
图5 GFIS气体场离子源束流拔出表现图。a. 拔出电极电路[4]；b. He+离子在钨针尖端分列的3个暴露的钨原子处产生；c.实践使用时，将针尖稍微偏转，只用3个原子中最亮的谁人原子所产生的离子束举行成像。由于离子束是同一个原子发射的，其束斑十分小（只一个钨原子大），干系性也好，有利于取得高质量大景深的照片。
电感耦合等离子源
作为加工装备的离子源必要高亮度大束流（如250 nA）、能量分布会合、长命命、高安定的离子源。现在以Xe、Ar、N2、O2为气源的Plasma-FIB（PFIB）成像加工体系的离子源产生方案是：先用电感耦合等离子体源（ICP-source）取得等离子体，以拔出电极施加4-8.5 kV的偏压拔出不同束流的离子束，再以10-30 kV电压举行增速。PFIB装备是迩来两年才导入科研用户，我国科研界约莫仅有4台（停止2020年3月），还没有特别具体的书或文章先容它的光路体系。
2.3 中子束光源
中子束光源的特点
中子也是一种物质波，和电子相似，中子波长随能量厘革。快中子的波长为0.00028 ?，热中子波长为1.8 ?，超冷中子波长为495 ?，和极紫外光（EUV）波长相反。
与电子相反，中子在天然界中也广泛存在，但是自在的中子寿命很短仅有15分钟支配，多量的中子是由强互相作用束缚在原子核中的。因此中子要靠核反响产生。
中子束光源提高汗青
第一代
同位素放射源和低能增速器源
使用以下反响产生中子
将放射α 射线的238Pu、226Ra 或241Am同金属铍粉末按一定比例匀称殽杂克制成小圆柱体密封在金属壳中，就可产生中子。1932年查德威克就是使用这个反响取得了中子，并取得了诺贝尔奖。
第二代
反响堆中子源
使用反响堆中的裂变反响产生中子，好比铀235在反响堆中约莫经过以下的反响产生中子：
仅有少数国度拥有研讨型反响堆，都处于国际原子能机构监督之下[6]。
第三代
散裂中子源
散裂中子源的原理是：用1 GeV支配的中能质子轰击重元素靶（如铅、钨大概铀、钍重靶），当高能质子打到重原子核上时，原子核温度上升，核内的中子就会取得能量“沸腾”起来并离开原子核的束缚。就像将一个垒球用力投到装满球的筐中，有一些球会立刻蹦出来，而更多的球则会互相碰撞、弹跳并翻出筐外。散裂中子源具有高的好效中子通量、无放射性核废物等特性。
图6 散列中子源产生历程的表现图[7]
由于中子不带电荷，无法用电场举行增速，因此如今大多是接纳取得高能中子再举行慢化的办法取得不同能量的中子，从而改动中子束波长。
图7是美国Aerotest反响堆中子成像办法[8]。2018年，中科院高能所和中科院物理所互助计划制作了中国散裂中子源（CSNS）已在广东东莞投入实践运营，总体到达了国际优秀水平。见图8。
图7 第二代反响堆源[8]
图8 第三代散列源：2017年2月中国散裂中子源园区俯瞰图[9]
2.4 显微镜成像光路
图9 给出了几种显微镜光路简图，（a）光学显微镜，（b）透射电子显微镜TEM，（c）扫描电子显微镜 SEM，这几种显微镜的光路相似，都包含光源局部，光路局部和探测局部。
关于光学显微镜我们都很熟习，其中心是由多组凸透镜构成，作用是将样品的像扩大并挪动到切合的察看地点上。电子束和离子束由于带电，可以用电磁场来控制。电场和磁场都可以制成透镜，但由于如今的电子束速率越来快，静电场的强度仅限，以是如今主流是接纳磁场做透镜。见图11。
图9 显微镜的光路简图[10]，（a）光学显微镜，（b）透射电子显微镜TEM，（c）扫描电子显微镜 SEM
比力几种仪器的光路我们可以发觉透射电子显微镜的光路和光学显微镜的十分相似，但扫描电镜的事情原理与前两者有很大的不同。图10给出了扫描电镜搜集信号的品种。
图10 SEM搜集信号品种
假如将电子束的增速电压从TEM的200 kV降为30 kV或更低，并会聚起来，则成为扫描电子显微镜（SEM）的光源。聚焦的电子束照射在样品外表（几纳米范围）和进入样品内里时，与样品原子核、核外电子互相作用，会产生二次电子、背散射电子、俄歇电子、X射线、可见光等信号，见图10。SEM通常搜集二次电子或背散射电子成像，聚焦电子束在某一时候只能丈量一个地点上的质料对电子的反射信号，要丈量样品不同地点的质料特性就要不休挪动电子束的聚焦地点，这是就扫描两个字的泉源(日语是“走查”)。若将电子束换为离子束，则变为离子束显微镜。
如今的电镜中电子束的波长可以到达pm的数目级，但为什么在平凡TEM只能看到晶格像（nm 标准）却无法看清原子像？区分率丧失了数百倍！这是由于TEM中电子的行进途径以磁透镜偏折控制，见图11，而如今最好的磁透镜后果也很“烂”，它关于透射电镜的后果，就像使用以适口可乐瓶底为透镜的光学显微镜来察看样品[3]。
图11. 透射电镜所用的一些磁透镜表现图[3]
比年来，随着球差改正器（多组磁透镜联立使用）、单色器（使电子能量一律）的使用，人们可以看到原子级区分的图片了，只是必要为每种功效分外添加约100万美元。必要重申的一点是：能观察到原子像的TEM好坏常娇贵的，对情况要求十分高，就像格林童话中的豌豆公主一样，要建立减振台，特别的恒温室，举行电场屏蔽、磁场屏蔽等，如此装修一个约莫1/4讲堂面积的实行室，必要破费300万人民币。
中子源显微镜和光学显微镜、x射线成像相似，是用一些对中子有折射作用的质料制成透镜，但由于中子的穿透才能强以是中子透镜制造困难，现在，中子源显微镜的区分率并不高。
（未完待续）
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作者：孟繁琦
审稿：张庆华
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编纂：Dannis
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