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探索物质结构之透射电子显微镜 透射电子显微镜

除了波长限制了透射电镜的分辨率，透射电镜的像差，包括色差、球差、像散和畸变，也使得透射电镜的分辨率难以突破1 。20世纪末，球面像差校正器研制成功 。球差校正电镜减少了非定域效应的影响，进一步提高了透射电镜的分辨率，达到了亚埃级 。随着球差校正电子显微镜的普及，球差校正电子显微镜正在逐步形成和发展 。此外，近20年来，随着电子显微镜的不断发展，扫描透射电子显微镜技术(STEM Figure 4为其图像)已成为一种广泛使用的表征方法 。与传统的高分辨率相衬成像技术相比，扫描透射电子显微镜具有分辨率高、对化学成分敏感、图像直观、易于判读等优点 。其中，高分辨率扫描透射电镜可以直接获得原子分辨率的Z衬度图像 。结合X射线能谱和电子损失谱，还可以得到原子分辨率的元素分布图和单个原子阵列的能量损失谱 。因此，在一次实验中就可以获得原子分辨结构、化学成分和电子结构的信息 。
【探索物质结构之透射电子显微镜 透射电子显微镜】图4富锂材料表面的STEM图像
透射电子显微镜的应用
透射电子显微镜具有分辨率高的优点，可以与其他技术相结合 。广泛应用于材料科学、物理、化学、生物等领域 。
材料的微观结构对材料的力学、光学、电学等物理化学性质起着决定性的作用 。透射电子显微镜作为材料表征的重要手段，不仅可以在衍射模式下研究晶体结构，还可以在成像模式下获得real 空之间的高分辨率图像，即直接对材料中的原子成像，直接观察材料的微观结构 。电子技术在促进新材料的发现方面也起了很大的作用 。借助透射电子显微镜，D.Shechtman发现了准晶体，重新定义了晶体，丰富了材料科学、晶体学和凝聚态物理的内涵 。D.Shechtman获得2011年诺贝尔化学奖 。
在物理学领域，电子全息术可以同时提供电子波的振幅和相位信息，这使得这种先进的微观分析方法被广泛应用于与相位密切相关的磁场和电场分布的研究 。目前，电子全息术已用于测量半导体多层薄膜器件的电场分布和磁性材料中的磁畴分布 。中国科学院物理研究所的张哲、朱滔等 。利用高分辨电子显微镜和电子全息术研究了退火处理前后钴基磁性隧道结的微观结构以及相应势垒层结构的变化 。结果表明，退火处理可以明显改善阻挡层与上下电极的界面质量，改善阻挡层本身的结构 。
在化学领域，原位透射电子显微镜以其空的超高分辨率为气相和液相化学反应的原位观察提供了重要手段 。原位透射电子显微镜用于进一步了解化学反应的机理和纳米材料的转变过程，以便从化学反应的本质来理解、控制和设计材料的合成 。目前，原位电子显微镜在材料合成、化学催化、能源应用和生命科学等领域发挥了重要作用 。透射电子显微镜可以在极高的放大倍数下直接观察纳米颗粒的形貌和结构，是纳米材料最常用的表征方法之一 。天津大学的和美国布鲁克海文国家实验室的L.xin用原位透射电镜观察了Co-Ni双金属纳米颗粒在氧化过程中的形貌变化 。完全混合的Co和Ni合金颗粒被氧化后，Co和Ni发生部分分离空，并从理论上解释了这一现象 。
在生物学领域，经常使用X射线晶体学和核磁共振来研究生物大分子的结构，蛋白质的位置精度可以确定到0.2 nm，但各有各的局限性 。x射线晶体学以蛋白质晶体为基础，往往研究分子的基态结构，而对分析分子的激发态和过渡态无能为力 。大分子在体内经常相互作用形成复合物，这些复合物的结晶非常困难 。核磁共振虽然可以获得溶液中分子的结构，研究分子的动态变化，但主要适用于研究分子量较小的生物大分子 。近年来，冷冻电镜技术突破了冷冻成像和图像处理的瓶颈，发展成为广泛应用于结构生物学的新技术 。它可以快速、高效、简单、高分辨率地分析高度复杂的超大生物分子结构，大大超越了传统的X射线晶体学技术 。清华大学研究组通过从酵母细胞中提取内源性蛋白质获得了性质良好的样品，并利用单颗粒冷冻电镜技术在近原子水平上分析了酵母剪接体的高分辨率三维结构，阐述了剪接体剪接信使RNA前体的工作机制 。
透射电子显微镜的发展方向
目前，透射电镜有几个重要的发展方向 。第一，分辨率的提升 。分辨率一直是透射电镜的发展目标和方向 。应开发新一代单色仪和球差校正器，以进一步提高透射电子显微镜的能量分辨率和空分辨率，特别是对于低压电子显微镜 。第二，发展原位透射电镜技术 。原位透射电镜在材料合成、化学催化、生命科学和能源材料等领域有着重要的应用 。通过在原子尺度上实时观察和控制气相反应和液相反应，可以研究反应的本质机理等科学问题 。第三，它在生物大分子结构研究中的应用更加广泛 。低温显微镜在生物大分子结构研究中的广泛应用将推动低温显微镜技术的不断发展 。冷冻电镜在生物学领域的应用越来越受到重视，已经成为连接生物大分子和细胞的纽带和桥梁 。
从透射电子显微镜诞生到今天的80多年，人们借助透射电子显微镜解决了许多科学问题 。透射电子显微镜也在发展进步，功能越来越全面，性能越来越好 。虽然在研制过程中还存在一些问题和挑战，但相信在全体科研工作者的共同努力下，问题终将得到解决，TEM的各项技术将得到进一步发展和突破 。

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