微觀世界裡的一切奇妙而神秘，讓越來越多的科技工作者探索它們的奧秘。也許肉眼下看似平整的表面在顯微鏡下就像是連綿起伏的山峰；你認為的緻密的纖維織品其實在微觀世界裡就像「一團亂麻」。
實驗室中，帶我們走進微觀世界的「秘密通道」裡基本的也是常用的有這幾種：光學顯微鏡、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡。今天相寧就帶大家分析一下這三種顯微鏡，看看它們之間有啥子相同、啥子不同呢？～～
光學顯微鏡（OM）
實驗室常用的光學顯微鏡（簡稱光鏡）有兩種，一種為透射式，一種為反射式。
兩種光鏡的作用原理不同。透射式光鏡，一般使用在生物學等方向，它通過透射光的方式來觀察切片樣品。因為透射式光鏡的光路和觀察部分分在兩邊，光是透過樣品之後達到目鏡上，因此這種光鏡為透射式；另一種光鏡為反射式，在材料學領域經常使用的金相顯微鏡就是典型的反射式光鏡。因為材料不透光，因此光靠反射進入目鏡，故此光鏡為反射式光鏡。
透射電子顯微鏡(TEM)
透射電子顯微鏡（簡稱透射電鏡）與透射式光鏡相似，均採用穿透樣品的方式觀測樣品。但是不同的是光鏡採用的是光穿透樣品，而根據透射電鏡的名稱就可以知道它使用的不是光，而是電子束。
電子束經過加速、聚焦之後，穿過樣品，再被螢光屏接收。透射電鏡的成像方式也分兩種：透射成像、衍射成像。兩種電鏡的功能也有區別：透射成像反映材料的質厚襯度，衍射成像反映材料的晶格信息。
掃描電鏡（SEM）
同樣，掃描電子顯微鏡(簡稱掃描電鏡)使用的也是電子束。電子束經過加速、聚焦，與樣品相互作用，產生了一個作用區域，在作用區域之內會產生一些信號，主要分為背散射電子和二次電子，這兩種電子被探測器收集到，轉換成圖像信號產生於屏幕上，就可以產生我們所看到的檢測結果——那些灰白照片~~
掃描電鏡與透射電鏡到底有哪些區別呢？
透射電鏡使用一束半徑較大（與被觀測區域大小相同）的電子束照射被觀測樣品的表面，感光器件收集到透過樣品的電子束，從而顯示出材料的內部信息。這種方式簡單粗暴，就像是拿手電筒「duang」的把光照到了材料待觀測區域一樣。
而掃描電鏡是採用半徑很小的電子束以掃描的方式（通過掃描線圈的偏轉電壓來控制掃描方式），逐點獲取材料觀測區域的信息。這種操作就像是在用筆在紙上來來回回畫線，直至把待畫的空白處都畫上一遍為止。
但是透射電鏡和掃描電鏡也有一些相同之處，就是：都可以獲取需測試材料的成分信息。這是因為兩種電鏡都可以產生電子束，電子束和樣品作用時，會產生特徵x射線，對於特徵x射線的分析可以得知材料的元素組成。
看到這裡，你是不是有很多疑問，比如：什麼是二次電子，什麼是背散射電子，什麼是特徵X射線？欲知詳情，請繼續往下看~~
你知道嗎？在材料的每個原子的原子核周圍都分布著由一個或者多個電子形成的電子云，如下圖。有的電子的運行軌道離原子核近，有的離原子核較遠。原子核最外層軌道上的電子就成為外層電子，其他的是內層電子。
關於掃描電鏡的介紹中，有一種電子叫背散射電子。那它又是啥呢？和普通電子有什麼不同呢？
電鏡所發射的電子撞到了材料的原子核上，因為原子核太大了，電子的動量又守恆，所以它又以大角度的方式反射了回來，再被探測到之後的這種電子就成為了背散射電子。
二次電子又是啥捏？
電鏡所發射出的電子，撞擊到了材料原子核周圍的外層電子上，致使這些外層電子從原子核的束縛之中逃逸了出來，成為了二次電子。就好像是第一代電子所產生的第二代電子的意思。
還有，特徵x射線，到底自帶啥子神奇特徵呢？
入射電子撞擊到材料原子核周圍的內層電子，導致這些內層電子受激發。因為它在原子核周圍的電子云的內層，所以給的能量太少，也逃離不了原子核的束縛，轉而從其激發態向穩定態（基態）躍遷。躍遷過程中，多餘的能量以x射線的形式發出。因為不同元素所發射出的x射線波長不同，故這些x射線成為了每種材料的獨特表徵，因此命名為特徵x射線。
除以上所講述之外，顯微鏡的大家族之內還有原子力顯微鏡（AFM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、掃描透射電子顯微鏡（STEM）等。而且，隨著科技的發展，光學顯微鏡也不斷推陳出新，採用雷射以類似於掃描電鏡的方式來觀測樣品的共聚焦顯微鏡，也得到了更高的敏感度和解析度。掃描電鏡也越來越小，由大電鏡進化到了非常精巧的臺式掃描。
所以，就看下圖，這樣幾個微米的小物體的神秘微觀世界，距離你我還會遠嗎？
來源：中科院半導體所
編輯：zkai
近期熱門文章Top10
↓ 點擊標題即可查看 ↓
1. 物理定律告訴你，天下有情人終將分手！
2. 裝物理學家很歡樂很沉重
3. 無孔不入的喝酒養生觀念，當真你就中計了
4. 物理學家辭掉NASA工作玩摺紙，竟被請回實驗室「折衛星」
5. 物理學最難的方程之一，解答獎金達100萬美元
6. 地球上最神奇的10種物質，你見過幾個？
7. 廣義相對論很難？幾分鐘帶你簡單入門！
8. 狗狗最討厭主人做的12件事，看到第幾個你中槍了？
9. 蜂巢的洞口為什麼是六邊形而不是圓形？| No.93
10. 我們發現一種『新型炸藥』，其原料就在你們剛包好的餃子裡 | 正經玩 SP
點此查看以往全部熱門文章