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透射电镜下看到的原子像的物理意义是什么?

2018.7.20

所谓TEM,就是一个放大镜叠加了一台照相机。这台放大镜的放大倍数比较高,可高达一百万倍。当然,抛开分辨率谈放大倍数都是耍流氓,那么,TEM的分辨率有多高呢?答案是 it depends。一般来说,TEM的分辨率要在1到2个纳米,STEM更高,但是STEM得成像技术类似于SEM,但用的不是二次电子。我们知道,宏观尺度上成像靠的是可见光,可见光在此的表现的是电磁波,波长范围在390nm到720nm,远比任何宏观尺度小得多,根据瑞丽准则(Rayleigh criterion),可见光的分辨率极限大概在200nm左右,对半导体工业熟悉的人应该对.18 工艺很熟悉,那个时候,光刻机所用的光源还处在可见光的范围。说这么多的意思就是想表明,你要想成像,直觉上必须得有波,没有人的直觉是图像的产生是靠往成像物体上面扔一堆皮球实现的。


世界上第一台TEM构建于1931年,这可能是量子力学成立以来的首个对量子力学原理的直接人工利用。德布罗意1924年提出的波粒二象性,1929年获得了诺奖,而仅仅不到十年,把电子作为波来看待的观念就已经应用了起来。运动的电子波长极短,在10-10m这个数量级,所以用电子波作为光源所能达到的分辨率,理论上说,形成原子的像是妥妥的。

然而实际上,形成原子的像是极其困难的,究其原因,是因为TEM里面的物镜太难以达到完美。光学透镜,经过三四百年的发展,制造出来的产品已经接近完美,然后TEM里面的磁透镜,有一个很好的比喻来说明它的质量:通过磁透镜看物体就好比拿起塑料可乐瓶的瓶底去看人。

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