Des études ont montré que les informations reçues représentaient visuel humain pour environ 80%, montrant un monde coloré devant des gens, sur la base des résultats des ondes lumineuses visibles reflétant l'effet matériel sur l'il humain, par exemple, nous pouvons voir une des plantes vertes vivantes (fig. 1a avec les yeux ). Mais les êtres humains ne sont pas satisfaits de l'observation à l'il nu, et l'espoir de mieux voir dans le monde matériel. instrument grossissant et un microscope optique pour observer première invention humaine monde microscopique. les cellules lignine peuvent être observés (Fig. 1b) se composant d'une plante avec un microscope optique. Mais au fil du temps, l'amélioration de microscope optique de toute façon, très difficile de maintenir encore une meilleure résolution.
(A)
(B)
(C)
La figure 1 (a) la lignine plantes (caméra), (b) des cellules de la lignine (microscope optique), (c) un nouveau virus de la couronne (microscope électronique)
Si nous savons que deux points peuvent être séparés de la zone de dispositif optique, doivent, montre la figure 2 satisfont au critère de Rayleigh (critère de Rayleigh), qui est une mesure de la puissance de résolution de mesure des instruments optiques. Peut distinguer entre la distance minimale est d'environ exprimée en
Où, est la longueur d'onde de rayonnement de la source, est l'indice de réfraction du milieu, est le grossissement de la demi-largeur recueillie. sin dite ouverture numérique, est approximativement l'unité. En bref vert à l'observation de l'oeil humain, par exemple, il est une longueur d'onde d'environ 550 nm, la résolution maximale du système de microscopie optique est d'environ 300 nm.
Critère 2 Ruili
Bien sûr, nous pouvons également changer la longueur d'onde d'observation, par les rayons ultraviolets, les rayons X, etc., peuvent également augmenter l'indice de réfraction du microscopique rempli d'huile (n = 1,5). Mais l'effet général est limitée. Ainsi, les humains ont développé une variété de techniques utilisant le matériau le plus vague possible du monde physique, la forme de vie organique détection inorganique, la science humaine et le développement technologique ont également bénéficié de la hausse la capacité d'observation. . Trois images de la figure 1 sont (a) lignine plantes, (b) les cellules lignine, (c) un nouveau virus de la Couronne, leur résolution sont environ: 100 microns, 1 pm, 0,01 um. La figure 1 (c) la résolution de 10 nm, beaucoup moins que la limite de résolution de l'oeil humain et un microscope optique. Obtenez une image claire de ce crédit est un microscope électronique.
Jalons microscopie
Le tableau suivant les techniques d'imagerie prix Nobel.
Tableau 1 des équipements de pointe et des techniques d'imagerie ont remporté le prix Nobel
Comme on peut le voir d'après l'équation (1), pour augmenter la résolution de la principale approche de microscope est de réduire la longueur d'onde de la source lumineuse [lambda], [lambda] et la façon de stabiliser la longueur d'onde accordable de sortie des sources de lumière sont des technologies de base dans le domaine de la microscopie. Pour cette raison, elle est basée sur la théorie des ondes de matière, a mis au point une source de faisceau d'électrons, une technologie de faisceau d'ions avancé sources de lumière et des sources de faisceaux de neutrons, etc., ces matériaux avancés d'onde source de lumière éclaire le monde microscopique, mais aussi pour les gens à comprendre et à reconnaître des substances microscopiques fenêtre monde ouvert d'espoir.
Cet article sera divisé en quatre parties: 1. Le concept des ondes de matière, les ondes lumineuses et la deuxième microscopie fond, monde microscopique vague matière 3, 4 perspective ...
mécanisme de génération de lumière - le concept des ondes de matière 01
Monde est matériel, mais aussi le mouvement. D'après la théorie de la dualité, à la fois le mouvement des particules du matériau de Broglie propriétés des particules onde-particule, et ayant également des caractéristiques d'onde: p quantité de mouvement des particules et la longueur d'onde sont liées par la constante de Planck, à savoir
Contrôler les particules de la longueur d'onde de lumière irradiée seule façon de contrôler la vitesse de déplacement des particules. Source de faisceau d'électrons dans un microscope électronique à transmission (MET), par exemple, des électrons accélérés obtenir une énergie cinétique par le champ électrique, à savoir,
P est le produit de la masse de l'électron d'impulsion d'électrons et la vitesse de l'électron v m0, à savoir
Retour (2), la relation entre les longueurs d'onde disponibles de tension et les faisceaux d'électrons microscopie électronique accéléré
Et la tension d'accélération V faisceau d'électrons est inversement proportionnelle à la longueur d'onde .
Quand la tension d'accélération est supérieure à 100 kV, la vitesse d'électrons est supérieure à la moitié de la vitesse de la lumière, (5) la nécessité de la formule de correction relativiste, à savoir,
Matière source d'ondes 02 et introduction microscopie
2.1 source de faisceau d'électrons
Un électron de particules est très répandu dans la nature, et sont présents dans tous les types de matériaux. Mais l'électronique sont généralement liés par des forces électrostatiques autour du noyau chargé positivement, les électrons dans l'espace de libre circulation dans le microscope électronique est nécessaire est rare. A cet effet, les chercheurs ont inventé l'assemblage et une structure de principe de génération de faisceau d'électrons canon à électrons de la source de faisceau d'électrons, le canon à électrons représenté sur la figure 3 est générée. Or, d'après la structure du canon à électrons peut être divisé en deux types, à canon à électrons à émission thermique et d'un canon à électrons à émission de champ.
canon à électrons à émission thermique émettre facilement des électrons par chauffage d'un filament d'autres substances telles que LaB6, l'augmentation de la vitesse thermique matière solide des électrons, l'énergie élevée est supérieure à la fonction de travail des électrons peut se libérer de la force électrostatique, émanant de la matière, voir la Fig. 3a.
Champ matériau émetteur canon à électrons à émission a une pointe très fine, représentée sur la figure 3B, à la pointe de l'intensité du champ électrique tension appliquée est très grande, les électrons de la bande de conduction par effet mécanique quantique avec échappement à travers le faisceau d'électrons formé. DÉTAILLÉE principe de fonctionnement, les premières électrodes de niveau appliqué une tension positive de plusieurs kV, un fort champ électrique des électrons peut être tiré hors de la pointe de l'aiguille, et un second étage électrode de tension d'accélération, des électrons peuvent être accélérés par la figure 3d de 200kV.. cathode à émission de champ canon à électrons canon à électrons haute luminosité de chaleur spécifique, la cohérence est bonne, mais le coût est élevé. La structure générale de la photo de pistolet électrique illustré à la figure 3e.
La figure 3 a.LaB6 extrémité du filament de cathode chaude, la pointe d'émission W du champ B, un seul cristal W fabriqué par une orientation particulière, pointe particulièrement aigu; .. E apparition du canon à électrons, les modules de filaments de carbone; .. D champ schéma de circuit du filament d'émission d'électrons d'extraits
les paramètres de performance de la source de faisceau d'électrons
Le tableau 2 énumère par l'équation (5), (6) la nature des paramètres calculés source de faisceau d'électrons à une tension d'accélération commun, la génération des données du tableau 1 Appuyez sur l'équation (1) peut être vu (en utilisant le coefficient 1,22), ce qui correspond à une tension d'accélération de 100 kV électronique à distance de la résolution minimale est d'environ 16 heures (0,004 nm), bien plus petit que le diamètre atomique (environ 0,1 nm).
Tableau 2 Relation entre les propriétés de tension d'accélération faisceau d'électrons
2.2 source de faisceau ionique
Principe spécimen de microscope à faisceau d'ions avec le microscope à faisceau d'électrons même, sauf que la même tension d'accélération, un faisceau d'ions dans la profondeur de l'échantillon avec des espèces ioniques différentes, la petite masse de H +, He + de profondeur de faisceau d'électrons, Ga + à peu profond par faisceau d'électrons. Le tableau 3 énumère plusieurs différentes tensions d'accélération d'ions à résolution.
Tableau 3 Ga +, courant de faisceau He + de plusieurs paramètres clés Comparaison
La source de faisceau d'ions est typiquement une seule ionisation de la substance obtenue par le procédé peut être divisé en une source d'ions à métal liquide, une source d'ions de champ de gaz, une source de plasma à couplage inductif et d'autres catégories.
Source d'ions à métal liquide
Il existe un certain nombre de métaux ou alliages peuvent être utilisés comme une source d'ions de métal liquide (le LMIS), mais est représentée sur la figure 4 la source commerciale de l'ion métallique Ga la plus courante. Ga a un point de fusion bas (environ 30 deg] C.), Ne réagit pas avec la surface de la pointe de tungstène peut être évité réaction d'alliage de tungstène est produit un long stockage, en même temps, Ga vapeur sous pression, sous vide non volatile; une faible énergie de surface, peut être du tungstène surface embout est commandée d'une série d'avantages. L'émission de champ source de faisceau d'électrons et analogues, les ions Ga + est également généré en deux étapes:
La figure 4 Ga source d'ions et l'électrode d'extraction schématique
Etape 1: source de chaleur pour faire fondre Ga et de débit à une extrémité avant en contact avec le tungstène, le diamètre des gouttelettes de 2 à 5 um sont formées. Puis à 108V cm de champ électrique et de la tension Ga liquide / surface elle-même, la goutte sera aspiré dans la pointe de type « cône de Taylor » lorsque le diamètre le plus pointe atteint 2-5 nm; Etape 2: Après la formation d'équilibre stable après le « cône de Taylor », la pointe Ga sous la forme d'une évaporation de champ et efficacement ionisé hors de la surface, crée un faisceau de haute intensité de 1 x 108A / cm2, un « cône de Taylor », puis l'extrémité arrière du liquide est ajouté pour maintenir la forme Ga . Pour faire en sorte que le faisceau d'ions de Ga atomes besoin monochromatique monoisotopique d'énergie, donc source d'ions Ga coûteux, lorsque la durée de vie garantie de 1000 h, le prix de chaque source est généralement 3-8 Wan RMB.
La source d'ions de champ de gaz
structure de source d'ions de métal liquide analogue, une source d'ions de champ de gaz (SMIF) est tiré schéma de circuit représenté sur la figure 5. W émetteur unique cristal ultrafine pointe d'une électrode formant source d'ions de champ de gaz est placé à une distance spécifiée à partir de l'électrode d'extraction. Cristal pointe direction orientée axialement W, l'arête de coupe de trois atomes isolés. électrode d'extraction est un potentiel négatif par rapport à la source d'ions, afin d'obtenir un champ électrique approprié à l'ion échapper. Des ions He, un champ électrique est nécessaire au niveau du bord de coupe d'au moins 4,4 V / Å, les ions de N'est de 3,3 V / Å. Comme la pointe est particulièrement aiguë, ici elle est la plus forte densité de pointe surface équipotentielle où le champ électrique est beaucoup plus grande que la pointe de ses autres endroits. Ainsi, le gaz He, Ne gaz que plusieurs ionisation atomique à la pointe de la pointe des ions Ne et ions He. Pole est tiré des ions ou élongations Ne ions He sont accélérés par le champ électrique continue d'accélérer, le système de lentille magnétique ultérieure pour l'imagerie.
La figure 5 champ de gaz GFIS extraction de faisceau de source d'ions Fig. . Une traction sur le circuit d'électrode ;. B ions He + générés à l'atome nu trois pointe de l'aiguille de tungstène de tungstène disposées ;. C utilisation réelle, la pointe de l'aiguille légèrement dévié, seul l'atome de trois atomes brillants générés l'imagerie par faisceau ionique. Comme le faisceau d'ions est émis par un seul atome, de son point de faisceau est très faible (seulement un grand atomes de tungstène), la cohérence ou, en faveur de la profondeur de grande qualité de photos sur le terrain.
Source de plasma à couplage inductif
Comme source d'ions de l'équipement de traitement nécessite une luminosité élevée grand courant de faisceau (par exemple 250 nA), la distribution de l'énergie concentrée, longue durée de vie, une grande stabilité de la source d'ions. Actuellement, Xe, Ar, N2, source de gaz O2 de système de traitement de formation d'image par plasma FIB (PFIB) est un programme de génération de source d'ions: source de plasma premier couplage inductif (ICP-source) pour obtenir du plasma, est appliquée à l'électrode d'extraction 4 à 8,5 kV polarisation du faisceau différent de l'extraction du faisceau d'ions, puis à 10-30 kV tension d'accélération. l'équipement est PFIB les deux dernières années à importer des utilisateurs scientifiques, la communauté scientifique de la Chine est seulement d'environ quatre (à partir de Mars 2020), il n'y a pas de livre ou un article particulier décrit en détail son système optique.
2,3 source de faisceau de neutrons
Caractéristiques source de faisceau de neutrons
Neutron est aussi un ondes de matière, et l'électronique similaire à la dépendance à la longueur d'onde de l'énergie des neutrons. Neutron longueur d'onde de 0,00028 Å, la longueur d'onde de neutrons thermiques de 1,8 Å, une longueur d'onde de neutrons ultrafroids de 495 Å, et de l'ultraviolet extrême (EUV) de la même longueur d'onde.
Les mêmes électroniques, les neutrons sont également répandus dans la nature, mais une durée de vie de neutron libre est très court, seulement environ 15 minutes, un grand nombre de neutrons dans le noyau est lié par l'interaction forte. Par conséquent compter sur la réaction nucléaire à neutrons.
histoire du développement de source de faisceau neutronique
La première génération
Les isotopes des sources radioactives et source d'accélérateur à faible énergie
Les neutrons produits par la réaction suivante
Le 238Pu, 241Am 226Ra ou un rayonnement -ray avec de la poudre de béryllium sont mélangés uniformément par un certain pourcentage comprimé en petits cylindres scellés dans une enveloppe métallique, peut produire des neutrons. 1932 Chadwick est l'utilisation de cette réaction pour obtenir un neutron, et a remporté le prix Nobel.
La deuxième génération
Réacteur source de neutrons
Utilisation de réaction de fission des neutrons du réacteur, tel que peut être généré en uranium 235 par la réaction de neutrons dans un réacteur:
Seuls quelques pays ont des réacteurs de recherche sont sous contrôle de l'AIEA.
La troisième génération
source de neutrons de spallation
source de neutrons Principe de spallation sont: neutralisé avec environ 1 GeV bombardement de protons d'énergie d'une cible d'éléments lourds (tels que le plomb, le tungstène ou l'uranium, le thorium poids cible), lorsque proton de haute énergie frappé noyaux lourds, de la température des noyaux, nucléaire neutrons d'énergie auront « ébullition » et hors du carcan du noyau. Sera mis en vigueur un panier de basket softball rempli, quelques balles sautent immédiatement, et plus de balles vont entrer en collision les uns avec les autres, en dehors de rebond et sort un panier. source de neutrons de spallation ayant une déchets nucléaires efficace de flux neutronique élevé, non radioactif et d'autres fonctions.
6 une vue schématique du processus de génération de hachage de source de neutrons
Parce que les neutrons sont non chargées, un champ électrique ne peut pas être accélérée, de sorte que maintenant la plupart du temps obtenu modérateur de neutrons des neutrons de haute énergie alors obtenus par la méthode différente de l'énergie, ce qui modifie la longueur d'onde du faisceau de neutrons.
7 réacteur US Aérotests installations d'imagerie de neutrons. 2018, la conception et la construction de l'Institut de physique et de haute énergie Coopération Académie chinoise des sciences de la Source neutronique de spallation Chine (SNSC) a été mis en service réel à Dongguan, Guangdong, dans l'ensemble atteint le niveau international avancé. Figure 8.
réacteurs de deuxième génération source 7
8 hachage de troisième génération Source: Février 2017 Chine spallation Source Parc Neutron Vue aérienne
Le chemin optique d'imagerie de microscope 2,4
La figure 9 montre plusieurs trajet du faisceau du microscope schématique, (A) d'un microscope électronique à transmission TEM microscope optique, (b), (c) un microscope électronique à balayage SEM, le chemin optique du microscope dont plusieurs similaire, comprenant une section de source de lumière et la partie de trajet optique la section de détection.
Nous connaissons le microscope optique, le noyau est composé d'une pluralité d'ensembles d'une lentille convexe, comme le rôle de l'échantillon est agrandie et déplacée vers la position d'observation sur la droite. Etant donné que le faisceau d'électrons et la charge du faisceau d'ions peut être commandé par un champ électromagnétique. Les champs électriques et magnétiques peuvent être une lentille, mais maintenant un faisceau d'électrons de vitesse de plus en plus rapide, l'intensité du champ électrostatique est limité, est maintenant l'utilisation d'un champ magnétique pour rendre la lentille principale. Voir Figure 11.
La figure 9 est une vue schématique du chemin optique du microscope, (a) un microscope optique, (b) au microscope électronique à transmission TEM, (c) d'un microscope électronique à balayage SEM
Contraste chemin optique de plusieurs instruments, nous pouvons trouver le chemin optique de la microscopie électronique à transmission et la microscopie optique sont très similaires, mais le principe de fonctionnement de la microscopie électronique à balayage avec les deux premiers sont très différents. La figure 10 montre le signal de collecte de type SEM.
le type de signal de collection figure 10 SEM
Si la tension d'accélération du faisceau d'électrons de 30 kV ou moins réduite de 200 kV TEM et venir ensemble, il devient microscope électronique à balayage de lumière (SEM) de. Lorsque le faisceau d'électrons focalisé sur la surface échantillon (quelques nanomètres) et à l'intérieur de l'échantillon, et les noyaux de l'échantillon, l'interaction extranuclear, va générer des électrons secondaires, des électrons rétrodiffusés, des électrons d'Auger, des rayons X, des signaux lumineux visibles, voir Figure 10. SEM typiquement collect Les électrons secondaires ou l'imagerie d'électrons rétrodiffusés, le faisceau d'électrons ne peut être centrée sur une position du matériau, mesurée à la fois des électrons signal réfléchi, pour mesurer les propriétés du matériau à des endroits différents de l'échantillon va continuer à déplacer la position de focalisation du faisceau d'électrons c'est le mot sur la source de numérisation (japonais est une « visite virtuelle »). Si le faisceau d'électrons est convertie en un faisceau d'ions, le faisceau d'ions devient microscope.
Maintenant, la longueur d'onde du faisceau d'électrons dans le microscope électronique peut obtenir des ordres de grandeur heures, mais pourquoi ne voir treillis (nm échelle) TEM ne pouvait pas voir dans les atomes ordinaires comme? Résolution a perdu des centaines de fois! En effet, le chemin de Voyage à TEM électrons contrôle magnétique de déviation de la lentille, le montre la figure 11, et maintenant le meilleur effet de lentille magnétique est également très « mauvais », il est pour les résultats de la microscopie électronique à transmission, comme l'utilisation d'une lentille avec une bouteille de Coca-Cola microscope optique pour observer l'échantillon.
Certains lentilles magnétiques utilisés dans la figure 11. schématique TEM
Au cours des dernières années, en tant que dispositif sphérique de correction d'aberration (de plusieurs ensembles de l'utilisation simultanée de lentilles magnétiques), une application monochromateur (uniforme d'électrons d'énergie), on peut voir l'image de la résolution à l'échelle atomique, seulement besoin d'ajouter des fonctions supplémentaires pour chaque environ $ 10 millions. Les besoins à mettre en valeur est la suivante: les atomes peuvent être observées image TEM est très délicate, très élevées exigences environnementales, comme la princesse au petit pois, comme les frères Grimm, de construire table anti-vibration, chambre thermostatique spéciale, un champ électrique blindé, champ magnétique blindage, une telle rénovation au sujet du secteur de la classe 1/4 de laboratoire, besoin de dépenser 3 millions de yuans.
Microscopie et microscopie optique à source de neutrons, similaire à l'imagerie par rayons X, avec certains matériaux ont une lentille de réfraction en neutrons, mais la capacité de pénétration des neutrons d'une lentille de neutrons si difficiles à fabriquer, à l'heure actuelle, la source de neutrons microscopique la résolution n'est pas élevé.
(A suivre)
enseignants de physique et des contributions originales
Auteur: Meng Qi
Critique: Zhang Qinghua
Se félicite de la présentation par les étudiants et les enseignants au sein de la « plate-forme de bureau en ligne physique »! Comme suit: Log "plate-forme de bureau" "lobby des affaires" "Affaires générales Bureau" "Popular Science soumission d'article."
Edit: Dannis
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