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电子显微镜的最新进展——4D电子显微镜
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蔡凌峰
4D电子显微镜——在透射电子显微镜中时间的影响
封面
短暂的场包绕在一个蛋白质球的超速电子显微镜图像
这个场由线性偏振的飞秒激光脉冲产生,强度的亚皮秒的提升和降低被单电子包拍摄下来。
对4D电子显微镜的介绍
自从透射电子显微镜商业化的60年以来,在提高图像分辨率和信号侦测方面有了巨大的科技进步,并且这也扩展了由TEM获得的分析结果的范围。这些进步已经对空间水平上的研究成果产生影响并提供了更多的方法来对低至原子水平的2D、3D数据进行收集。但是为了实现对材料的完全表征,包括与寿命和形态学相关的数据,需要第四维度:时间。这个不仅需要对材料结构与组成的调查,而且也要对在外部条件的影响下材料性质的变化的观察。这个能在原地、对材料的时间分辨的动态研究被成为4D电子显微镜,并且这个能以极快速度表现这样的研究的被成为超速透射电子显微镜。
超速透射电子显微镜允许研究者通过能够对结构变化、相转移以及材料电子与动态性质的进化的直接观测来研究材料中的形态动力学与相变化。用标准的2D、3D TEM的程序,操作者可以指定仪器的运行参数来获得需要的结果。对于4D TEM,操作者要有相同的操作,再加上两个额外的实验控制。首先,操作者需要用一个激光脉冲来满足特定实验的需求。这个激光脉冲是用于对要研究的材料样品施加一个刺激使其开始形态学或动力学上的变化。其次,操作者也要调整记录开始的动态事件图像的图像发射电子脉冲的时间。过了这段时间,在激光脉冲刺激和电子脉冲图像拍摄的共同工作下会产生一个对材料这段时间已经产生的变化记录的电子图像。这些实验的时间分辨率可以跨越所有可能的范围,从秒到飞秒,取决于要研究的特定事件和实验的目标。
对4D TEM的解析
对一个特地为在原地和时间分辨研究而优化的TEM需要模块的整合来为图像拍摄表现电子脉冲并要支持刺激的激光脉冲。相机、勘测器和其它记录机制来传递实验中的数据。FEI的超速透射电子显微镜,最初是为了解决飞秒时间尺度上的动态事件,也能在需要的时候像S/TEM那样使用。
TEM的应用
在有了可以进行时间分辨观察的基础上的能力,研究者可以能够研究热机械性质、相转移、化学键的动态变化和表面动力学的可视化。
在频闪观测仪脉冲模式下的图像与衍射
对NEWS和MEMS结构动态变化的理解在商业设计和传感器领域方面变得越
来越重要,在对大量超传感侦测器和生物分子的实验上也是。虽然电子显微镜可以拍出这些结构,并且光学相位干扰技术可以监视所有小于1埃的变形量,但是过去并没有任何技术可以实时在空间上进行观测。
在Flannigan的一个实验中[1],一个悬臂的纳米机械运动被实时在空间上被观察到。结构的高Q震荡在时间领域直接在空间上被观测到,并且共振频率模式、阻尼、杨氏弹性模量和存储在系统里的力跟能量可以被直接决定。
当一个晶体通过吸收来自光热脉冲的能量来激活,这个晶体必须经过改变来容纳这些存储的能量。在材料缺少相变化的时候,晶体必须要膨胀。这个在晶体结合细胞水平上的膨胀的最初影响和对衍射的影响被论述在figure ,例如一个表面中心的立方金晶体,是各向异性的,并且将不会影响任何晶体带的定向。