掃描電鏡發(fā)展回顧

發(fā)布時(shí)間：

2023-08-08 17:56

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掃描電子顯微鏡（SEM）的發(fā)展歷程如同一部科技探險(xiǎn)小說(shuō)。它的起源和發(fā)展都與科學(xué)家們不斷的好奇心和對(duì)知識(shí)的追求緊密相關(guān)。

在20世紀(jì)初，隨著物理學(xué)和材料科學(xué)的快速發(fā)展，科學(xué)家們對(duì)微觀世界產(chǎn)生了濃厚的興趣。當(dāng)電子物理學(xué)的高速發(fā)展撞車傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡分辨率的限制，科學(xué)家們已經(jīng)無(wú)法看到超過(guò)200納米以下的微觀細(xì)節(jié)，他們迫切需要一種更高分辨率的顯微鏡來(lái)觀察更小尺度的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

這就是掃描電子顯微鏡應(yīng)運(yùn)而生的現(xiàn)實(shí)背景。

透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)的構(gòu)想都是在20世紀(jì)30年代初提出來(lái)的。1931年，德國(guó)的卡諾爾(M.Knoll)和魯斯卡(E.Ruska)用冷陰極放電電子源和三個(gè)電子透鏡改裝了一臺(tái)高壓示波器，并獲得了放大 12 倍的圖像，他們發(fā)明的就是透射電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱透射電鏡)。這個(gè)發(fā)明用事實(shí)證實(shí)了用電子顯微鏡來(lái)對(duì)微細(xì)的物體進(jìn)行放大成像是可行的。1934 年，經(jīng)過(guò)波尼斯(Ven Borries)和魯斯卡的不斷努力和改進(jìn)，透射電鏡的分辨力達(dá)到了 50nm，突破了光學(xué)顯微鏡的分辨極限，于是透射電鏡開始受到科技界的重視。

20世紀(jì)40年代美國(guó)的希爾發(fā)明了消像散器，解決了由于電鏡中電磁透鏡的不完全旋轉(zhuǎn)對(duì)稱而造成的束斑不夠圓的問(wèn)題，使電子顯微鏡的分辨力有了新的突破。由于人們的電鏡設(shè)計(jì)能力和機(jī)械加工水平的逐年提高，以及科學(xué)家們的不斷改進(jìn)，電子顯微鏡才達(dá)到了現(xiàn)在的高分辨水平。

最早提出和研發(fā)掃描電子顯微鏡的關(guān)鍵人物是德國(guó)物理學(xué)家馬克·馮·阿弗林（Max von Laue）和瑞典物理學(xué)家奧古斯特·特雷夫斯（August K. Tufte）。1938年，他們?cè)O(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)最早的電子顯微鏡雛形，但由于技術(shù)限制和第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，進(jìn)一步發(fā)展受到了阻礙。

20世紀(jì)50年代起，新一代科學(xué)家開始加入到掃描電子顯微鏡的研究中，掃描電子顯微鏡開始進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)代。1956年，美國(guó)物理學(xué)家埃爾文·米勒（Erwin Müller）研發(fā)出了最早的可行的原子尺度成像裝置，被視為掃描電子顯微鏡的奠基者。1965年，日本科學(xué)家阪本浩（Hiroshi Tanabe）和日野隆韋（Ryoei Hino）制造了首臺(tái)商用化的掃描電子顯微鏡，并開始推廣和應(yīng)用該技術(shù)。上世紀(jì)70年代，德國(guó)卡爾蔡司公司、荷蘭皇家飛利浦公司和美國(guó)埃里卡公司等開始大規(guī)模生產(chǎn)掃描電子顯微鏡，使其逐漸普及。而進(jìn)入80年代，美國(guó)物理學(xué)家吉山修一（Shuichi Yoshida）提出了場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡（Field Emission Scanning Electron Microscope，F(xiàn)E-SEM）的概念，進(jìn)一步提升了掃描電鏡的分辨率和精確成像的能力。

近年來(lái)，隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，掃描電子顯微鏡在材料科學(xué)、生物科學(xué)、納米科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不斷推動(dòng)了其技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步。

不足百年的時(shí)間里，電子顯微鏡高速發(fā)展，電鏡的分辨力和檢測(cè)功能也在不斷地提高和增多，同功能的機(jī)型，其體積越來(lái)越小，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，性價(jià)比也在提高，普及也在日益加快。科學(xué)家們站在“巨人的肩膀”上不斷提出了新的理論，設(shè)計(jì)了關(guān)鍵的儀器和設(shè)備，推動(dòng)了掃描電子顯微鏡技術(shù)的進(jìn)步和商業(yè)化應(yīng)用。

總體而言，掃描電子顯微鏡的歷史是一個(gè)積極不斷探索和創(chuàng)新的過(guò)程。從最早的雛形到今天的高分辨率、高性能的設(shè)備，掃描電子顯微鏡已經(jīng)成為不可或缺的科學(xué)工具，為我們揭示了微觀世界的奧秘。

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