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電子顯微鏡 要使用「奈米微小製造技術(shù)」來(lái)製作我們所需要的結(jié)構(gòu)，第工一步便是先要能夠「看到原子」，目前人類(lèi)還無(wú)法用肉眼直接看到原子，因此都是使用間接的方式，利用儀器的輔助來(lái)觀察原子，這種儀器稱(chēng)為「電子顯微鏡(EM：Electron Microscopy)」，電子顯微鏡依照原理的不同又可以分為數(shù)種： 掃描式電子顯微鏡(SEM：Scanning Electron Microscopy) 使用鎢絲來(lái)發(fā)射電子束(熱游離)，當(dāng)電子束照射到物體表面時(shí)，就如同光束照射到物體表面，當(dāng)物體表面凸出時(shí)反射電子束較多，故偵測(cè)器偵測(cè)到較強(qiáng)的訊號(hào)(比較亮)，如圖4-54(a)所示；當(dāng)物體表面凹下時(shí)反射電子束較少，故偵測(cè)器偵測(cè)到較弱的訊號(hào)(比較暗)，如圖4-54(b)所示，同學(xué)們一定有這樣的經(jīng)驗(yàn)，地上的凹洞比較暗，就是因?yàn)樘?yáng)光照射到凹洞內(nèi)反射的光比較少的緣故。將這些強(qiáng)弱的訊號(hào)畫(huà)成二度空間的灰階圖形，就可以得到如圖4-54(c)所示的掃描式電子顯微鏡(SEM)照片(本書(shū)前面所有的灰階照片均為掃描式電子顯微鏡照片)，掃描式電子顯微鏡(SEM)的解析度很高，可以用來(lái)觀察大約100nm(奈米)的結(jié)構(gòu)，但是只能觀察物體表面的高低起伏，所以表面平整的物體無(wú)法使用。 場(chǎng)發(fā)射掃描式電子顯微鏡(FEGSEM：Field Emission Gun Scanning Electron Microscopy) 使用六硼化鑭(LaB6)或奈米碳管(CNT)製作成針尖小于100nm(奈米)的奈米尖端來(lái)發(fā)射電子束(場(chǎng)發(fā)射)，奈米尖端可以使電子束的直徑縮小到10nm(奈米)左右，請(qǐng)參考圖1-6(b)所示，其原理與掃描式電子顯微鏡(SEM)相同，如圖4-54(d)所示為場(chǎng)發(fā)射掃描式電子顯微鏡(FEGSEM)照片，場(chǎng)發(fā)射掃描式電子顯微鏡(FESEM)的解析度更高，可以用來(lái)觀察大約10nm(奈米)的結(jié)構(gòu)，但是只能觀察物體表面的高低起伏，所以表面平整的物體無(wú)法使用。 穿透式電子顯微鏡(TEM：Transmission Electron Microscopy) 使用鎢絲來(lái)發(fā)射電子束(熱游離)，當(dāng)電子束穿透物體時(shí)，電子受到物體原子排列的影響而散射，最后投影在投影銀幕上，如圖4-55(a)所示，我們可以由電子束在投影銀幕上的二維投影圖，反過(guò)來(lái)推算物體原子的三維結(jié)構(gòu)與結(jié)晶情形。使用穿透式電子顯微鏡必須讓電子束可以「穿透」試片，因此在觀察之前必須先將試片加工研磨成小于200nm(奈米)的厚度才行，如何將試片研磨到這麼薄又不破壞物體原有的結(jié)構(gòu)是非常困難的事，將電子束在投影銀幕上的二維投影圖送入電子束偵測(cè)器，就可以得到如圖4-55(b)所示的穿透式電子顯微鏡(TEM)照片，穿透式電子顯微鏡(TEM)的解析度很高，可以用來(lái)觀察大約10nm(奈米)的結(jié)構(gòu)，而且可以分辨不同材料組成的平面物體，也可以觀察物體的橫截面。 高解析度穿透式電子顯微鏡(HRTEM：High Resolution Transmission Electron Microscopy) 使用六硼化鑭(LaB6)或奈米碳管(CNT)製作成針尖小于100nm(奈米)的奈米尖端來(lái)發(fā)射電子束(場(chǎng)發(fā)射)，奈米尖端可以使電子束的直徑縮小到10nm(奈米)左右，請(qǐng)參考圖1-6(b)所示，而它的成像原理與傳統(tǒng)的穿透式電子顯微鏡(TEM)略有不同，在此不再詳細(xì)討論，如圖4-55(c)所示為高解析度穿透式電子顯微鏡(HRTEM)照片，高解析度穿透式電子顯微鏡(HRTEM)的解析度是目前所有電子顯微鏡中最高的，可以用來(lái)觀察大約1nm(奈米)的結(jié)構(gòu)，因此可以看到「虛擬」的原子影像，如圖4-55(c)中的顆粒狀影像，為什麼是「虛擬」而不是真實(shí)的原子影像呢？別忘記，這些影像其實(shí)只是電子受到物體原子排列的影響而散射，最后投影在投影銀幕上的二維投影圖而已，還必須反過(guò)來(lái)推算，才能得到物體原子真正的三維結(jié)構(gòu)與結(jié)晶情形，目前已經(jīng)有這種反向推算的技術(shù)，但是推算完成后也只能得到電腦繪出的三維原子排列圖形(電腦繪圖)，已經(jīng)不算是真正的「照片」了。 掃描穿遂顯微鏡(STM：Scanning Tunneling Microscopy) 使用硅晶圓或奈米碳管(CNT)製作成針尖小于100nm(奈米)的奈米尖端，當(dāng)奈米尖端由「金屬固體」表面掃過(guò)時(shí)，尖端接觸「金屬」表面會(huì)導(dǎo)電，利用導(dǎo)電的大小來(lái)控尖端隨物體表面高低起伏而上下移動(dòng)，如圖4-56(a)所示，可以量測(cè)「金屬固體」(良導(dǎo)體)表面。將尖端上下移動(dòng)情形記錄下來(lái)，并且利用電腦模擬物體表面三維高低起伏而繪出相對(duì)應(yīng)的三維圖形。掃描穿遂顯微鏡(STM)的解析度與奈米尖端的尺寸有關(guān)，可以用來(lái)觀察大約1nm(奈米)的結(jié)構(gòu)，因此可以看到由電腦模擬的原子影像。 原子力顯微鏡(AFM：Atomic Force Microscopy) 使用硅晶圓或奈米碳管(CNT)製作成針尖小于100nm(奈米)的奈米尖端，當(dāng)奈米尖端由「任何固體」表面掃過(guò)時(shí)，尖端接觸「任何固體」表面都會(huì)產(chǎn)生作用力(稱(chēng)為「凡得瓦力」)，利用作用力的大小來(lái)控尖端隨物體表面高低起伏而上下移動(dòng)，如圖4-56(a)所示，可以量測(cè)「任何固體」(良導(dǎo)體、半導(dǎo)體、非導(dǎo)體)表面。將尖端上下移動(dòng)情形記錄下來(lái)，并且利用電腦模擬物體表面三維高低起伏而繪出相對(duì)應(yīng)的三維圖形，如圖4-56(b)與(c)所示。原子力顯微鏡(AFM)的解析度與奈米尖端的尺寸有關(guān)，可以用來(lái)觀察大約1nm(奈米)的結(jié)構(gòu)，因此可以看到由電腦模擬的原子影像。