TEM-EELS 是觀察原子的絕佳工具。 TEM-EELS分為TEM和EELS兩種設備。讓我們來了解一下每個原理。


如今,我們理所當然地認為所有物質都是由原子組成的,但即使在150年前,人們也懷疑原子是否真的存在。事實上,那時原子存在的間接證據已經累積了大量。然而,科學家之所以無法釋懷,只是因為他們從未見過原子。當時科學家用放大鏡所能看到的最小的東西是細菌,但要看到原子,就必須放大數十萬倍。自然,科學家不可能輕易接受這種小得離譜的物質的存在。他想親眼確認原子的存在。

那麼促使科學家確認原子存在的決定性因素是什麼呢?直接向他們展示原子存在的改良放大鏡就是EM(電子顯微鏡)。 EM依其運作機制可分為多種類型。其中,因其分辨率最高而受到關注的是TEM-EELS(透射電子顯微鏡-電子能量損失光譜)。顧名思義,TEM-EELS分為TEM和EELS兩種設備。

TEM是將電子投射到待分析物體上,然後分析折射電子軌跡的設備。組成物體的原子分為帶正電的原子核和帶負電的電子。因此,當從TEM設備發射的電子穿過物體內部時,它們受到來自原子核的吸引力和來自原子核周圍電子的排斥力。如果電子經過原子核附近,則電子的投影軌跡會因核引力而折射。電子的這種偏轉稱為彈性散射。另一方面,投射的電子可能會被核周圍距核一定距離的其他電子偏轉。由於原子核周圍的電子在空間中廣泛分佈,因此當兩個電子足夠接近以致於發生碰撞時,由於電子之間的排斥力,會發生顯著的偏轉。當投射的電子非常接近原子核周圍的電子時,投射的電子會被強大的排斥力彈向另一個方向。這種機制所造成的折射稱為非彈性散射。通常,彈性散射引起的電子偏轉程度大於非彈性散射引起的電子偏轉程度。因此,TEM 可以觀察折射電子的軌跡,並找出它是來自彈性散射(原子核)還是非彈性散射(電子)。 TEM以相同的方向和速度重複地將電子傳輸到物體的各個點,並記錄原子核所在的位置和電子所在的位置。結合這些數據使我們能夠了解原子在整個物體中的排列方式。

然而,上述方法有一個問題。例如,我們假設使用 TEM 將電子投射到帶有少量正電荷的原子核周圍。由於正電荷的尺寸較小,原子核與發射的電子之間的吸引力會減小,因此電子偏轉的程度也變弱。當這種現象惡化時,TEM 無法區分弱折射電子是來自彈性散射還是非彈性散射。因此,科學家也為 TEM 配備了一種名為 EELS 的設備。 EELS 是一種記錄電子能量的設備,而 TEM 則記錄傳輸電子的軌跡。如前所述,當投射的電子經歷彈性散射時,它們的方向只是由於原子核的吸引力而改變。然而,當電子經歷非彈性散射時,它們足夠接近原子核周圍的電子碰撞並被彈開,因此電子的速度急劇增加。因此,即使彈性散射和非彈性散射對投射電子的折射程度相似,利用 EELS 來確定電子的能量,也可以確定電子是透過哪種散射折射的。例如,如果在某個軌跡中發現一個電子,其速度或動能大到彈性散射電子無法擁有,則可以確定該電子由於非彈性散射而發生了折射。

透過上述機制,TEM-EELS 成為現代科學家的放大鏡,在他們的研究中廣泛應用。為了最大限度地發揮現代社會使用的設備的物理和化學特性,原子級實驗至關重要。如果沒有 TEM-EELS,使用其他間接方法來確認材料的原子排列或類型是相當麻煩和困難的。例如,韓國目前商業化的半導體生產製程採用10nm等級的單元,而10nm僅包含100個原子。即使這 100 個原子中只有一個錯位,半導體也無法正常運作。如果不直接看到原子結構,甚至無法確認半導體是否有問題。稱為 TEM-EELS 的高性能放大鏡的重要性再次得到強調。