研究表明人類接收的信息中視覺佔80%左右，呈現人們面前的繽紛世界，是基於物質反射的可見光波對人眼作用的結果，例如我們可以用眼睛看到一片生機盎然的綠色植物（圖1a）。但人類並不滿足於肉眼的觀察，而希望深入觀察物質世界的內部。放大鏡和光學顯微鏡是人類最早發明的用於觀察微觀世界的儀器。用光學顯微鏡可以觀察到組成植物的木質素細胞（圖1b）。但隨著時間的推移，光學顯微鏡無論如何改進，其解析度都很難再進一步提高。
（a）
（b）
（c）
圖1 （a）木質素植物（照相機）， (b)木質素細胞（光學顯微鏡）， (c) 新冠病毒（電子顯微鏡）[1]
我們知道兩個點如果能被光學設備區分開，需要滿足瑞利判據（Rayleigh Criterion），見圖2，它是衡量光學儀器解析能力的度量。能分辨的最小距離δ 近似表示為,
其中，λ 是光源輻射波長，μ 是介質折射率，β 是放大鏡收集半角。μsinβ 稱為數值孔徑，近似為單位1。以人眼能觀測的短波綠光為例，它的波長約為 550 nm，光學顯微系統的最高解析度約為300 nm。
圖2 瑞麗判據[2]
當然我們也可以通過改變觀測波長，利用紫外線、x射線等，也可增加折射率如油浸顯微鏡（n=1.5）。但總的來說效果有限。因此人類開發了多種技術儘可能地利用物質波對無機的物質世界、有機的生命體進行探測，人類科技發展也得益於對觀測能力的不斷提升。圖1中的三張照片分別是（a）木質素植物， (b)木質素細胞， (c) 新冠病毒，它們的解析度分別約為：100μm, 1μm, 0.01μm。圖1（c）的解析度達到10nm，遠遠小於人眼和光學顯微鏡的解析度極限。這一清晰圖片的獲得，是電子顯微鏡的功勞。
顯微技術發展大事記
下表列出獲得諾貝爾獎的成像技術。
表1 獲得諾貝爾獎的先進設備和成像技術
從公式（1）可以看出，提高解析度的最主要的途徑是減小顯微鏡光源的波長λ，如何實現可調波長λ和穩定輸出光源是顯微鏡研究領域的關鍵核心技術。為此，人們基於物質波的理論，先後開發了電子束光源，離子束光源和中子束光源等先進的光源技術，這些先進的物質波光源照亮了微觀世界，也為人們了解和認識微觀物質世界打開希望之窗。
本文將分成如下4個部分: 1. 物質波的概念，2.物質波光源與顯微技術，3.物質波的微觀世界，4.展望。
01 物質波的概念--光源的產生的機理
世界是物質的，也是運動的。基於德布羅意的波粒二象性理論，運動的物質粒子既有粒子特性，也具有波的特性：粒子的動量p 和波長λ 通過普朗克常量聯繫起來，即
控制輻照光源粒子波長λ 唯一辦法就是控制粒子的運動速度。以透射電子顯微鏡（TEM）中的電子束光源為例，電子被電場加速獲得動能，即
電子的動量p 為電子質量m0與電子速度v 的乘積，即
帶回（2）式，可得電子束波長和電鏡加速電壓之間的關係
加速電壓V 與電子束波長λ 為反比關係。
當加速電壓超過100 kV時，電子速度比光速一半還大，因此（5）式需進行相對論修正，即
02 物質波光源與顯微技術簡介
2.1 電子束光源
電子是自然界中廣泛存在的一種粒子，在各類物質中均存在。但電子通常是被靜電力束縛在帶正電的原子核周圍，在電子顯微鏡中所需要的在空間中自由運動的電子是很少見的。為此，科研人員發明了電子槍裝置產生電子束光源，電子槍的結構和電子束產生的原理見圖3。現在的電子槍按結構可分為兩類，熱發射電子槍和場發射電子槍。
熱發射電子槍中用燈絲加熱容易發射電子的物質如LaB6等，物質受熱後固體內電子的運動速度增加，超過逸出功的高能的電子可以擺脫靜電力的束縛，從材料中發射出來，見圖3a。
場發射電子槍中發射材料有一個非常尖銳的頂端，見圖3b，在外加電壓下尖端的電場強度非常大，導帶電子將由量子力學效應隨穿逸出，形成電子束。具體工作原理為，第一級電極加幾kV正電壓，強電場可以將電子從針尖拔出；第二級電極為加速電壓，可以用200kV對電子進行加速圖3d。場發射電子槍比熱陰極電子槍亮度高，相干性好，但成本也高。電了槍的整體結構照片如圖3e所示。
圖3 a.LaB6熱陰極燈絲尖端；b.場發射W針尖，由特定取向的單晶W製造，尖端尤為尖銳；c.燈絲模組；d.場發射燈絲電子抽取電路示意圖；e. 電子槍外觀[3]
電子束光源性能參數
表2列出了由公式（5）、（6）計算在常見加速電壓下電子束光源的性質參數，將表1中數據代回公式（1）可知（使用1.22係數），100kV加速電壓所對應電子最小分辨距離約為4 pm (0.004 nm),遠小於原子直徑（約0.1 nm）。
表2 電子束性質與加速電壓的關係[3]
2.2 離子束光源
離子束顯微鏡觀測樣品的原理與電子束顯微鏡相同，區別在於同等加速電壓下，離子束進入樣品深度隨離子種類而不同，質量小的H+、He+較電子束深，Ga+較電子束淺。表3列出幾種離子源在不同加速電壓下的解析度。
表3 Ga+、He+束流幾個關鍵參數之比較[4]
離子束源通常是採用將單質元素電離的方法獲得，可分為液態金屬離子源、氣體場離子源，電感耦合離子源等幾類。
液態金屬離子源
有眾多金屬或合金可以作為液態金屬離子源（LMIS），但最普遍商業化的是Ga金屬的離子源，見圖4。Ga具有熔點低（約30 ℃）；不與鎢針尖表面反應，可避免長期儲存使用中與鎢金屬發生合金化反應；同時，Ga的蒸氣壓低，真空中不揮發；表面能低，可以在鎢針尖表面被操控等一系列優點。與場發射電子束光源類似，Ga+離子同樣也是分兩步產生：
圖4 Ga離子源和抽取電極示意圖[5]
第一步：首先加熱Ga源，使之熔化潤溼鎢絲並流到前端，形成2-5 μm 直徑的液滴。隨後在108V/cm的電場和液態Ga自身表面張力作用下，液滴尖端會被拉成「泰勒錐」型，此時最尖端直徑達到了2-5 nm；第二步：當形成穩定平衡的「泰勒錐」後，尖端的Ga以場蒸發形式高效率地離子化並逸出表面，產生1×108A/cm2的高亮度束流，「泰勒錐」隨後就會被後端的液態Ga補充維持形狀。為保證離子束能量的單色性，需要用單一同位素的Ga原子，因此，Ga離子源價格較貴，在保證1000 h使用壽命時，每個源價格通常在3-8萬RMB。
氣體場離子源
與液態金屬離子源結構類似，氣體場離子源(GFIS)的拔出電路示意圖如圖5所示。極細的單晶W針尖作為氣體場離子源的發射極放在距拔出電極指定距離處。單晶W針尖軸向取向為[111]方向，在最尖端為3個孤立的原子。拔出極相對離子源是負電位，以獲取離子逸出的合適電場。對He離子，在最尖端處需要電場至少為4.4 V/，對Ne離子則是3.3 V/。由於針尖特別尖銳，這裡是針尖等勢面最密集的地方，其電場遠遠大於針尖其它位置。因此，He氣、Ne氣只能在針尖尖端處的幾層原子電離為He離子和Ne離子。被拔出極拔出的He離子或Ne離子則繼續被加速電場加速，進行入後續磁透鏡系統進行成像。
圖5 GFIS氣體場離子源束流拔出示意圖。a. 拔出電極電路[4]；b. He+離子在鎢針尖端排列的3個裸露的鎢原子處產生；c.實際使用時，將針尖輕微偏轉，只用3個原子中最亮的那個原子所產生的離子束進行成像。由於離子束是同一個原子發出的，其束斑非常小（只一個鎢原子大），相干性也好，有利於獲得高質量大景深的照片。
電感耦合等離子源
作為加工設備的離子源需要高亮度大束流（如250 nA）、能量分布集中、長壽命、高穩定的離子源。目前以Xe、Ar、N2、O2為氣源的Plasma-FIB（PFIB）成像加工系統的離子源產生方案是：先用電感耦合等離子體源（ICP-source）獲得等離子體，以拔出電極施加4-8.5 kV的偏壓拔出不同束流的離子束，再以10-30 kV電壓進行加速。PFIB設備是最近兩年才導入科研用戶，我國科研界大概只有4臺（截止2020年3月），還沒有特別詳細的書或文章介紹它的光路系統。
2.3 中子束光源
中子束光源的特點
中子也是一種物質波，和電子類似，中子波長隨能量變化。快中子的波長為0.00028 ，熱中子波長為1.8 ，超冷中子波長為495 ，和極紫外光（EUV）波長相同。
與電子相同，中子在自然界中也廣泛存在，但是自由的中子壽命很短只有15分鐘左右，大量的中子是由強相互作用束縛在原子核中的。因此中子要靠核反應產生。
中子束光源發展歷史
第一代
同位素放射源和低能加速器源
利用以下反應產生中子
將放射α 射線的238Pu、226Ra 或241Am同金屬鈹粉末按一定比例均勻混合壓製成小圓柱體密封在金屬殼中，就可產生中子。1932年查德威克就是利用這個反應獲得了中子，並獲得了諾貝爾獎。
第二代
反應堆中子源
利用反應堆中的裂變反應產生中子，比如鈾235在反應堆中可能通過以下的反應產生中子：
僅有少數國家擁有研究型反應堆，都處於國際原子能機構監督之下[6]。
第三代
散裂中子源
散裂中子源的原理是：用1 GeV左右的中能質子轟擊重元素靶（如鉛、鎢或者鈾、釷重靶），當高能質子打到重原子核上時，原子核溫度升高，核內的中子就會獲得能量「沸騰」起來並脫離原子核的束縛。就像將一個壘球用力投到裝滿球的筐中，有一些球會立刻蹦出來，而更多的球則會相互碰撞、彈跳並翻出筐外。散裂中子源具有高的有效中子通量、無放射性核廢料等特徵。
圖6 散列中子源產生過程的示意圖[7]
由於中子不帶電荷，無法用電場進行加速，因此現在大多是採用獲得高能中子再進行慢化的方法獲得不同能量的中子，從而改變中子束波長。
圖7是美國Aerotest反應堆中子成像設施[8]。2018年，中科院高能所和中科院物理所合作設計建造了中國散裂中子源（CSNS）已在廣東東莞投入實際運營，總體達到了國際先進水平。見圖8。
圖7 第二代反應堆源[8]
圖8 第三代散列源：2017年2月中國散裂中子源園區鳥瞰圖[9]
2.4 顯微鏡成像光路
圖9 給出了幾種顯微鏡光路簡圖，（a）光學顯微鏡，（b）透射電子顯微鏡TEM，（c）掃描電子顯微鏡 SEM，這幾種顯微鏡的光路相似，都包含光源部分，光路部分和探測部分。
對於光學顯微鏡我們都很熟悉，其核心是由多組凸透鏡組成，作用是將樣品的像放大並移動到合適的觀察位置上。電子束和離子束由於帶電，可以用電磁場來控制。電場和磁場都可以製成透鏡，但由於現在的電子束速度越來快，靜電場的強度有限，所以現在主流是採用磁場做透鏡。見圖11。
圖9 顯微鏡的光路簡圖[10]，（a）光學顯微鏡，（b）透射電子顯微鏡TEM，（c）掃描電子顯微鏡 SEM
對比幾種儀器的光路我們可以發現透射電子顯微鏡的光路和光學顯微鏡的非常相似，但掃描電鏡的工作原理與前兩者有很大的不同。圖10給出了掃描電鏡收集信號的種類。
圖10 SEM收集信號種類
如果將電子束的加速電壓從TEM的200 kV降為30 kV或更低，並匯聚起來，則成為掃描電子顯微鏡（SEM）的光源。聚焦的電子束照射在樣品表面（幾納米範圍）和進入樣品內部時，與樣品原子核、核外電子相互作用，會產生二次電子、背散射電子、俄歇電子、X射線、可見光等信號，見圖10。SEM通常收集二次電子或背散射電子成像，聚焦電子束在某一時刻只能測量一個位置上的材料對電子的反射信號，要測量樣品不同位置的材料特性就要不斷移動電子束的聚焦位置，這是就掃描兩個字的來源(日語是「走查」)。若將電子束換為離子束，則變為離子束顯微鏡。
現在的電鏡中電子束的波長可以達到pm的數量級，但為什麼在普通TEM只能看到晶格像（nm 尺度）卻無法看清原子像？解析度損失了數百倍！這是因為TEM中電子的行進路徑以磁透鏡偏折控制，見圖11，而現在最好的磁透鏡效果也很「爛」，它對於透射電鏡的效果，就像使用以可口可樂瓶底為透鏡的光學顯微鏡來觀察樣品[3]。
圖11. 透射電鏡所用的一些磁透鏡示意圖[3]
近年來，隨著球差矯正器（多組磁透鏡聯立使用）、單色器（使電子能量一致）的應用，人們可以看到原子級分辨的圖片了，只是需要為每種功能額外添加約100萬美元。需要強調的一點是：能觀測到原子像的TEM是非常嬌貴的，對環境要求非常高，就像格林童話中的豌豆公主一樣，要建設減振臺，特殊的恆溫室，進行電場屏蔽、磁場屏蔽等，這樣裝修一個大概1/4教室面積的實驗室，需要花費300萬人民幣。
中子源顯微鏡和光學顯微鏡、x射線成像類似，是用一些對中子有折射作用的材料製成透鏡，但由於中子的穿透能力強所以中子透鏡製作困難，目前，中子源顯微鏡的解析度並不高。
（未完待續）
物理所師生原創投稿
作者：孟繁琦
審稿：張慶華
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編輯：Dannis
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