透射電子顯微鏡的原子成像之路
電子顯微鏡
原子是構成我們這個世界上物質的單元，是維持某一元素具有其化學特性的最小粒子。普遍認為古希臘哲學家德謨克里特提出的「原子論」應當是最接近現代科學認識的理論形態。他的學說用原子這一概念來指稱構成具體事物的最基本的物質微粒，是不可分割的。他指出，原子體積微小，是眼睛看不見的，即不能為感官所知覺。在近代物理學發展中，「原子」已從一個抽象的哲學概念成為了基本的科學理論。人們早在上世紀初已確認原子的存在以及原子的內部結構，但真正讓我們「看到」原子在物質（主要是晶體）內的排布，則要歸功於上世紀中葉發展起來並在現代科學研究中大放異彩的電子顯微鏡，這正是本文的主角。
光學顯微鏡的極限
要了解電子顯微鏡，我們還得從光學顯微鏡說起。在生活中，當我們需要放大觀察一些小東西時，首先想到的就是放大鏡，即光學凸透鏡。凸透鏡利用光線通過透鏡時發生的折射使其聚焦，從而達到放大被觀察對象的目的。常用的現代光學顯微鏡則是多個光學透鏡的組合，其中起放大作用的目鏡和物鏡就是凸透鏡。在我的記憶中，中學時候第一次接觸到光學顯微鏡就是利用它觀察洋蔥表皮細胞（尺寸約幾十微米）。
利用光學顯微鏡，法國化學家巴斯德還看到了細菌（尺寸約0.5—5微米），並發展了細菌理論。但是，當他想觀察某種比細菌更小的致病生物時，他卻勞無所獲。後來證明這種生物即為病毒（尺寸一般小於0.1微米，也即100納米）。
有的讀者可能會想，要是能提高顯微鏡放大倍數是不是就能看到了？答案是否定的。即使放大倍數再高的普通光學顯微鏡也無法做到這一點。在此需要指出的是，人們常常把顯微鏡的分辨能力用放大倍數來衡量，事實上，評價顯微鏡能力的指標應該是解析度！它指的是顯微鏡能幫助人眼將相鄰的兩點區分開來的這兩個點之間的最小距離。
德國物理學家阿貝指出，決定解析度的因素取決於觀察時所用光源的波長，對於普通光學顯微鏡使用的可見光源（可見光波長範圍為390—760納米），其解析度僅能達到三百納米，小於這一尺寸的東西，是無法通過光學顯微鏡看到的。對原子而言，其大小相比於細菌好似一顆小玻璃珠相比於足球場，用光學顯微鏡去看它們顯然更是無能為力。
電子顯微鏡問世
在光學顯微窮途末路之時，人們發現了電子波。這要歸功於法國物理學家德布羅意提出的波粒二象性的設想，即電子既可以視為粒子，也可以用波來描述，並且他還給出了電子波長和電子運動速度的反比關係。如果給電子足夠的加速電壓，比如60千伏，那麼其波長僅有0.005納米，如果用這麼小波長的波作為光源製作顯微鏡，那就完全可以使顯微鏡的解析度成千上萬倍的提高，甚至可以分辨出晶體中的原子來。但是問題又來了，我們前文中說道，光學顯微鏡的重要部件是用以聚焦光線的凸透鏡，可是如何才能使電子束聚焦呢？
德國物理學家布施在1926到1927年間發表了系列論文，表明電磁場對電子束正好具有透鏡聚焦的作用。也正是此時，電子顯微鏡的發明者——恩斯特?魯斯卡，剛剛踏入德國柏林高等工業學院攻讀博士學位，他的研究課題正是磁場對陰極射線即電子束的聚焦。彷彿電磁透鏡的理論都是為他準備好的，在他進入科學殿堂後很短的時間，他和導師馬克思?諾爾於1929年製作了世界上第一個電磁透鏡，實現了對電子束的聚焦功能。此後兩年，兩人再接再厲，成功製造出了歷史上第一台電子顯微鏡的雛形。1933年，魯斯卡自己獨立完成了新的設計，製造了第二版的電子顯微鏡，在此後幾十年，電鏡的原理和設計基礎都沒有離開這一台的樣式。1986年，80歲的魯斯卡因此獲得了諾貝爾物理學獎。
▲圖1 光學顯微鏡（左）與透射電鏡（右）的光路構成。為了便於對比理解，右側透射電鏡示意圖為倒立放置的。（圖片來自網路）
從圖1的示意圖中，可以看出透射電鏡和透射式的光學顯微鏡具有相似的設計。魯斯卡在這一台電鏡上也獲得了超過光學顯微鏡極限的解析度。後來魯斯卡獲得西門子公司的資助，和合作者於1939年一同開發了西門子公司的第一台商業電鏡，其解析度可達10納米！也就是說我們此時還看不到足球場上的那個小玻璃球，但是至少可以看到足球了。正如前文中所說的有關人們對觀察比細菌更小的生物的期盼，電鏡一經發明，其在生物學研究中就取得了很多重要的結果，比如對病毒的直接成像。可能是近水樓台先得月，人類最早看到的病毒的顯微圖像是魯斯卡的弟弟，荷馬特?魯斯卡拍攝的（圖2）。
▲圖2 荷馬特?魯斯卡在1940年前後拍攝的牛痘病毒照片。照片來自章效鋒博士《顯微傳》（清華大學出版社，2015年）一書。
在魯斯卡和諾爾發明第一台電鏡之後的十年，許多學者和商業公司都加入到電鏡的研究和開發中來，電鏡也發展的日漸成熟，解析度得到進一步提高。值得一提的是，在電鏡中由於中間鏡的引入，使得電鏡不僅可以成像，還可以同時獲得電子穿過晶體樣品後發生衍射的衍射花樣，可用以鑒定晶體點陣類型，這也極大的推動了冶金科學的發展。
追求原子級解析度之路
追求更高的解析度本身就是發明電鏡的初衷，加之電子光源帶來的理論解析度完全低於晶體中的原子間距，因此對晶體中晶格乃至原子的成像自然就成為人們的下一步目標。 1956年，蒙特發表了使用解析度和0.8納米的電鏡觀察到肽化氰銅晶體中間距為1.2納米的條紋照片，是人類首次直接觀察到了晶體中的晶格。此後，隨著電子顯微鏡分辨能力的進一步提升以及高分辨電鏡實驗技術的完善，人們開始追求晶體點陣的二維成像，即真正的點陣像。世界上第一張二維原子解析度的電子顯微像是1971年飯島澄男博士在美國亞利桑那州立大學考利教授的帶領下獲得的鈦鈮氧化物（Ti2Nb10O29）晶體沿b晶帶軸拍攝的。這張照片中的點解析度達到了0.35納米，部分原子的佔位可以分辨出來。這代表了當時人們在顯微科學上的最高技術。也正是由於飯島博士具有高超的電子顯微技術和學識，他又在90年代發現了碳納米管，引發了全世界對碳納米管的研究熱潮，這是後話。
在80—90年代，普通的商業電子顯微鏡已可獲得低於0.2納米的點解析度，對於普通的單質金屬研究已足夠（比如鋁的晶格間距為0.405納米，銅為0.36納米），但對於多數化合物來說，人們並不滿足（比如氧化鋁中鋁原子和氧原子的鍵長僅有0.085納米）。這促使科學家和顯微鏡製造商繼續探索具有超高解析度的電鏡。原則上來說，由於電子的波長在數量級上遠小於此，達到這一解析度目標也並非不可能。可是，由於顯微鏡系統本身存在的一些物理缺陷——我們稱之為像差，使得電子顯微鏡在正常的加速電壓下（通常為100-300千伏）獲得0.15納米以下的解析度是難以企及的。而電磁透鏡的像差本身，雖然理論上是可以通過多級透鏡的設計消除的，但是由於複雜的多級透鏡加工及排放精準性的高難度而無法實現。此時人們想到的一個辦法是，提高加速電壓，從而獲得更小的電子波長。於是一些高壓電鏡應運而生，例如日本大阪大學的3000千伏超高壓電鏡，其高度就有15米。但是一方面由於造價昂貴，另一方面由於過高的加速電壓使得被研究的樣品輻照損傷太大而無法觀察，因此這些電鏡並沒有太大的市場。
這一狀況直到上世紀90年代末，電鏡解析度才發生了驚人的提升，原因在於能消除像差的神奇——像差校正器居然被發明出來了，當然也部分歸功於此時精密加工技術和計算機能力的大幅提高，發明者主要是德國達姆施塔特工業大學的哈萊得.羅斯（現在烏爾姆大學）和他的學生海登，以及劍橋大學畢業後到美國工作的克里法奈。當然，研發像差校正器的過程也是極其艱辛和漫長的。終於在1997年，他們獲得了砷化鎵（GaAs）中真正的原子結構像，其中點間距0.14納米的Ga原子和As原子可以清楚分開。此後，像差校正勢不可擋，商業像差校正電鏡也隨即而來。目前，商業級的顯微鏡，解析度也可以輕鬆達到0.07納米，上文提及的氧化鋁中鋁原子和氧原子也可以清晰分辨。圖3是利用普通高分辨電鏡觀察得到的硅（Si）單晶以及利用像差校正電鏡拍攝的同一樣品，用這個圖也可以清楚的說明提高放大倍數並不足以分辨兩個點，真正需要提高的是解析度。
▲圖3 （a）硅晶體沿
晶帶軸的原子投影；（b）利用普通電鏡拍攝的高分辨顯微照片，左圖中成對的硅原子在這裡只顯示為一個圓點；（c）像差校正電鏡拍攝的高分辨顯微照片，可以清晰看到一對對硅原子整齊排列。此圖真實反映了硅晶體的原子結構。高分辨電鏡照片由本實驗室拍攝。
最後，前文中涉及的所有電子顯微工作，其實質上都是物質在二維空間（照片）上的投影，包括對原子的成像，也僅表示整個原子柱軸向的投影，好比我們沿糖葫蘆串棍子的方向觀察糖葫蘆。在追求電子顯微鏡高分辨能力的同時，科學家們自然不甘心於二維投影。在電子顯微鏡中的三維成像，一直也是顯微學研究的重要議題。目前通過一些方法探索，我們甚至可以看到晶體在三維空間的原子排布，今後有機會再向大家介紹。
本文來源：今日科協
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