材料的电子显微镜学

电子显微镜利用聚焦电子束对材料的微观结构进行成像，其分辨率远超光学显微镜，并通过电子产生的信号分析局部成分和晶体学。

Definition

材料的电子显微镜学是利用电子束形成微观结构的放大图像，并对成分和晶体结构进行空间分辨分析，利用电子的短波长达到可见光无法实现的分辨率。

Scope

本主题涵盖材料的透射电子显微镜和扫描电子显微镜：透射和散射电子的图像形成、透射中的衍射衬度和高分辨率成像、扫描显微镜中二次电子和背散射电子的表面成像，以及用于元素微量分析的X射线和电子信号。它涉及可达到的长度尺度、样品制备以及成像和分析模式的结合方式。

Core questions

• 透射电子显微镜和扫描电子显微镜如何形成图像？
• 为什么电子能达到比光高得多的分辨率？
• 电子显微镜如何测量局部成分？
• 成像和分析模式如何结合以表征微观结构？

Key concepts

• 透射电子显微镜
• 扫描电子显微镜
• 衍射和相衬
• 二次电子和背散射电子
• 能量色散X射线分析
• 电子能量损失谱

Key theories

电子显微镜中的图像形成

在透射显微镜中，穿过薄样品的电子通过衍射和相衬形成图像，揭示缺陷和原子列；在扫描显微镜中，聚焦电子束在表面上扫描，产生二次电子和背散射电子，从而绘制形貌和成分图。

基于束-样品信号的微量分析

电子束激发特征X射线和能量损失信号，其能量可以识别存在的元素，因此显微镜可以在与其图像相同的精细尺度上绘制成分图，逐点关联结构与化学性质。

Mechanisms

加速电子的波长远短于光，通过弹性散射与样品相互作用，产生衍射和图像衬度；通过非弹性散射产生X射线和能量损失信号；收集这些信号可以生成纳米到原子分辨率的图像和成分图。

Clinical relevance

电子显微镜揭示了控制材料性能的微观结构——晶粒、相、界面和缺陷，识别了相和污染物的成分和分布，并诊断了加工和失效问题，使其成为材料化学和工程领域的核心工具。

History

鲁斯卡在20世纪30年代早期建造了第一台透射电子显微镜，超越了光学显微镜的分辨率，此后不久，冯·阿登纳开发了扫描电子显微镜。几十年来，透镜、探测器和像差校正方面的改进使得常规原子分辨率成像和精细尺度微量分析成为材料表征的可能。

Key figures

• Ernst Ruska
• Manfred von Ardenne

Seminal works

• williams2009
• goldstein2018

Frequently asked questions

为什么电子显微镜能比光学显微镜观察到小得多的物体？

分辨率受探针波长的限制。加速到高能量的电子具有比可见光短数千倍的波长，因此电子显微镜可以分辨出光无法分辨的纳米甚至原子尺度的特征。

电子显微镜如何判断存在哪些元素？

当电子束撞击样品时，它会击出内层电子，原子会发射具有每个元素特征能量的X射线。检测这些X射线，通常与电子能量损失信号一起，使显微镜能够在与其图像相同的精细尺度上识别和绘制元素。