แนวโน้มการพัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนรุ่นใหม่

แนวโน้มการพัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนรุ่นใหม่

1. กล้องจุลทรรศน์อิเล็คตรอนแบบปืนปล่อยสนามประสิทธิภาพสูงกำลังได้รับความนิยมและนำไปใช้มากขึ้น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านของปืนยิงสนามสามารถให้ความสว่างสูงและแหล่งกำเนิดแสงอิเล็กตรอนที่เชื่อมโยงกันสูง ดังนั้นจึงสามารถวิเคราะห์การจัดเรียงอะตอมและประเภทของวัสดุได้อย่างครอบคลุมในระดับอะตอมนาโนเมตร ในช่วงกลาง-1990มีเพียงไม่กี่โหลในไต้หวัน ตอนนี้มันเพิ่มขึ้นเป็นพันแล้ว ในปัจจุบันมีกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านสนามมากกว่าหนึ่งร้อยตัวในประเทศของเรา กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบไส้หลอดทังสเตนร้อน (อิเล็กตรอน) สามารถมีความละเอียดสูงสุดที่ 3.0nm เท่านั้น; กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบส่องกราดภาคสนามรุ่นใหม่สามารถมีความละเอียดได้ดีกว่า 1.0นาโนเมตร ความละเอียดสูงถึง 0.5nm-0.4nm กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดด้านสิ่งแวดล้อมสามารถบรรลุเงื่อนไข "สิ่งแวดล้อม" จริง ตัวอย่างสามารถสังเกตได้ภายใต้สภาวะความชื้น 100 เปอร์เซ็นต์; ตัวอย่างทางชีวภาพและตัวอย่างที่ไม่นำไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องเคลือบ และสามารถอยู่บนเครื่องได้โดยตรงเพื่อการสังเกตและการวิเคราะห์แบบไดนามิก สามการใช้งานของเครื่อง" สามโหมดการทำงาน สูญญากาศสูง สูญญากาศต่ำ และ "บรรยากาศ"

2. ควรพยายามพัฒนาโมโนโครมาเตอร์รุ่นใหม่และตัวแก้ไขความคลาดเคลื่อนทรงกลมเพื่อปรับปรุงความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนให้ดียิ่งขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์ความคลาดเคลื่อนทรงกลม: ค่าสัมประสิทธิ์ความคลาดเคลื่อนทรงกลม Cs ของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านแบบเดิมคือประมาณ มม. ค่าสัมประสิทธิ์ความคลาดเคลื่อนทรงกลมของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านปัจจุบันลดลงเหลือ Cs<0.05mm. Chromatic aberration coefficient: the chromatic aberration coefficient of the conventional transmission electron microscope is about 0.7; The chromatic aberration coefficient of the TEM has been reduced to 0.1. Field emission transmission electron microscopy, STEM technology, and energy filtering electron microscopy have become analytical means and tools for material science research, and even biomedicine. The spherical aberration corrector of the objective lens improves the resolution of the field emission transmission electron microscope to the information resolution. That is, it improves from 0.19nm to 0.12nm or even less than 0.1nm. Using a monochromator, the energy resolution will be less than 0.1eV. But the beam current of the monochromator is only about one tenth of that without a monochromator. Therefore, while using a monochromator , but also to consider the reduction of the beam current of the monochromator. While the spherical aberration corrector of the condenser improves the resolution of STEM to less than 0.1nm, the spherical aberration corrector of the condenser increases the beam current by at least 10 times, which is very beneficial to improve the spatial resolution. While correcting the spherical aberration, the chromatic aberration increases by about 30%. Therefore, while correcting the spherical aberration, the chromatic aberration should also be considered.

3. การวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนกำลังก้าวไปสู่การใช้คอมพิวเตอร์และระบบเครือข่าย ในแง่ของเครื่องมือและอุปกรณ์ ระบบปฏิบัติการปัจจุบันของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดได้ใช้อินเทอร์เฟซการทำงานใหม่ล่าสุด ผู้ใช้เพียงกดเมาส์เพื่อรับรู้การควบคุมกระบอกเลนส์กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและชิ้นส่วนไฟฟ้า ตลอดจนหน่วยความจำอัตโนมัติและการปรับพารามิเตอร์ต่างๆ ระหว่างภูมิภาคต่างๆ การสาธิตต่างๆ เช่น การย้ายตัวอย่าง การเปลี่ยนโหมดการถ่ายภาพ และการปรับพารามิเตอร์ของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถทำได้ผ่านระบบเครือข่าย เพื่อให้เข้าใจถึงการควบคุมระยะไกลของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

4. การประยุกต์ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่สำคัญในการศึกษาวัสดุนาโน เนื่องจากความแม่นยำในการวิเคราะห์ของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนนั้นใกล้เคียงกับระดับอะตอม การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านของปืนยิงภาคสนามและลำแสงอิเล็กตรอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.13 นาโนเมตร ไม่เพียงแต่สามารถรวบรวมภาพคอนทราสต์ Z ของภาพเดียวเท่านั้น อะตอม แต่ยังรวบรวมพลังงานอิเล็กตรอนของสเปกตรัมการสูญเสียอะตอมเดียว นั่นคือ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถรับข้อมูลโครงสร้างอะตอมและอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุในระดับอะตอมได้พร้อมๆ กัน การสังเกตภาพปรมาณูแต่ละภาพในตัวอย่างเป็นสิ่งที่ชุมชนวิทยาศาสตร์แสวงหามาอย่างยาวนาน เส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมประมาณ 2-3มม. ใน 10 ส่วนในล้าน ดังนั้น เพื่อแยกแยะตำแหน่งของแต่ละอะตอม จำเป็นต้องใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่มีความละเอียดประมาณ 0.1 นาโนเมตร และต้องขยายประมาณ 10 ล้านครั้ง เป็นที่คาดการณ์ว่าเมื่อลดขนาดของวัสดุเป็นระดับนาโน คุณสมบัติทางแสง ไฟฟ้า และทางกายภาพและทางกลอื่นๆ ของวัสดุอาจไม่ซ้ำกัน ดังนั้นการเตรียมวัสดุนาโน เช่น อนุภาคนาโน ท่อนาโน และเส้นลวดนาโน ตลอดจนการวิจัยเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและคุณสมบัติจึงกลายเป็นจุดสนใจของการวิจัยที่ผู้คนให้ความสนใจอย่างใกล้ชิด การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน โดยทั่วไปใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านที่มีปืนปล่อยสนามสุญญากาศสูงพิเศษที่สูงกว่า 200KV สามารถสังเกตภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูงของเฟสนาโนและเส้นลวดนาโน รูปแบบการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน และสเปกตรัมการสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอนของวัสดุนาโน ตัวอย่างเช่น ท่อนาโนคาร์บอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 0.4 นาโนเมตร, Si-CN nanorods และสายนาโนของเซมิคอนดักเตอร์ Li-doped Si ถูกตรวจพบบนกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ในด้านชีวเวชศาสตร์ เทคโนโลยีนาโนคอลลอยด์โกลด์ แคปซูลดูแลสุขภาพนาโนซีลีเนียม โครงสร้างออร์แกเนลล์ระดับนาโน และหุ่นยนต์นาโนที่มีขนาดเล็กเท่าแบคทีเรีย ตรวจวัดความเข้มข้นของเลือดในหลอดเลือด และขจัดลิ่มเลือดในเลือด เรือสามารถกล่าวได้ว่าเป็นงานวิจัยทั้งหมด แยกออกจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเครื่องมือไม่ได้ กล่าวโดยย่อ: SEM และ TEM มีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในวัสดุศาสตร์ โดยเฉพาะนาโนเทคโนโลยี การปรับปรุงความเสถียรและความสามารถในการทำงานทำให้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไม่ได้เป็นเครื่องมือที่ผู้เชี่ยวชาญเพียงไม่กี่คนใช้อีกต่อไป แต่เป็นเครื่องมือยอดนิยม ความละเอียดสูงยังคงเป็นทิศทางที่สำคัญที่สุดในการพัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน การประยุกต์ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านได้เปลี่ยนจากลักษณะเฉพาะและการวิเคราะห์ได้พัฒนาเป็นการทดลองในแหล่งกำเนิดและการประมวลผลที่มองเห็นได้ระดับนาโน ลำแสงไอออนโฟกัส (FIB) ถูกนำมาใช้มากขึ้นในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับวัสดุนาโน เครื่องมือที่ทรงพลังที่สุดสำหรับการสร้างต้นแบบนาโน เป้าหมายของการแก้ไข STEM (ไททัน): การแสดงลักษณะโครงสร้าง 3 มิติที่ความละเอียด 0.5Å ในปี 2551

5. กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไครโอและเทคโนโลยีการสร้างใหม่แบบสามมิติเป็นฮอตสปอตการวิจัยปัจจุบันในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชีวภาพ เทคโนโลยีกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบใช้ความเย็นและเทคโนโลยีการสร้างใหม่แบบสามมิติเป็นฮอตสปอตการวิจัยในปัจจุบันเกี่ยวกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบชีวภาพ โดยส่วนใหญ่จะกล่าวถึงการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบแช่เย็น (ซึ่งรวมถึงการประยุกต์ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบแช่แข็งในเวทีเย็นฮีเลียมเหลว) และเทคโนโลยีการสร้างภาพสามมิติขึ้นใหม่ด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อกำหนดโครงสร้างสามมิติทางชีววิทยาของโมเลกุลขนาดใหญ่และสารเชิงซ้อนของพวกมัน เช่นการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบแช่เย็นเพื่อตรวจสอบโครงสร้างสามมิติของไวรัสและการเจริญเติบโตของผลึกสองมิติของโปรตีนเมมเบรนบนเยื่อไขมันชั้นเดียวและการสังเกตและวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ชีววิทยาเชิงโครงสร้างได้กระตุ้นความสนใจของผู้คนอย่างมากในปัจจุบัน เนื่องจากการมองโลกทางชีววิทยาจากมุมมองเชิงระบบ ชีววิทยามีโครงสร้างลำดับชั้นที่แตกต่างกัน: แต่ละตัว ® อวัยวะ ® เนื้อเยื่อ ® เซลล์ ® ชีวมาโครโมเลกุล แม้ว่าสารชีวโมเลกุลจะอยู่ในระดับต่ำสุด แต่ก็เป็นตัวกำหนดความแตกต่างระหว่างระบบระดับสูง โครงสร้างสามมิติกำหนดหน้าที่ โครงสร้างเป็นพื้นฐานของการประยุกต์ใช้: การออกแบบยา การดัดแปลงพันธุกรรม การวิจัยและพัฒนาวัคซีน การสร้างโปรตีนเทียม ฯลฯ บางคนคาดการณ์ว่าความก้าวหน้าทางชีววิทยาโครงสร้างจะนำมาซึ่งการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญต่อชีววิทยา กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นหนึ่งในวิธีสำคัญในการกำหนดโครงสร้าง ข้อดีของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบอุณหภูมิต่ำคือ ตัวอย่างอยู่ในสถานะที่มีน้ำ และโมเลกุลอยู่ในสภาพธรรมชาติ เนื่องจากตัวอย่างได้รับความเสียหายจากรังสี จึงต้องใช้เทคนิคปริมาณรังสีต่ำในการสังเกต อุณหภูมิการสังเกตต่ำ ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการแผ่รังสีของตัวอย่าง ตัวอย่างสามารถถูกแช่แข็งในสถานะต่างๆ เพื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างโมเลกุล ด้วยเทคนิคเหล่านี้ ผลการสังเกตและการวิเคราะห์ของตัวอย่างทางชีววิทยาต่างๆ จะใกล้เคียงกับสภาพจริงมากขึ้น

6. กล้อง CCD ประสิทธิภาพสูงกำลังเป็นที่นิยมมากขึ้นเรื่อยๆ ข้อดีของ CCD ที่ใช้ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนคือความไวสูง สัญญาณรบกวนต่ำ และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูง ภายใต้พิกเซลเดียวกัน การถ่ายภาพ CCD มักจะมีความโปร่งใสและความคมชัดที่ดี และรับประกันการสร้างสีและการเปิดรับแสงได้อย่างแม่นยำโดยพื้นฐาน ความละเอียดของภาพ/ความละเอียดของกล้องคือจำนวนพิกเซลที่เรามักพูดกัน ในการใช้งานจริง กล้อง ยิ่งพิกเซลสูง คุณภาพของภาพที่ถ่ายก็จะยิ่งดีขึ้น สำหรับภาพเดียวกัน ยิ่งพิกเซลสูง ความสามารถในการวิเคราะห์ภาพก็ยิ่งแข็งแกร่ง แต่ปริมาณข้อมูลที่บันทึกจะมีมากขึ้น ดังนั้นความต้องการอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลจึงสูงขึ้นมาก ในอุตสาหกรรม TEM ในปัจจุบัน ผลิตภัณฑ์ที่พัฒนาขึ้นใหม่นั้นควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์อย่างสมบูรณ์ และการได้มาของภาพเสร็จสิ้นด้วยกล้อง CCD ความละเอียดสูงแทนการใช้ฟิล์มถ่ายภาพ แนวโน้มของเทคโนโลยีดิจิทัลกำลังขับเคลื่อนการปฏิวัติของแอปพลิเคชัน TEM และแม้แต่งานในห้องปฏิบัติการทั้งหมดจากทุกด้าน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของซอฟต์แวร์ประมวลผลภาพ หลายๆ สิ่งที่เคยคิดว่าเป็นไปไม่ได้ในอดีตกำลังกลายเป็นความจริง