相差校正功能 近年来，透射电子显微镜（TEM）的进步显著，最为突出的是球差校正技术的开发。电子显微镜中使用的磁场透镜，原理上因为只能采用凸透镜制作，并不能像光学显微镜一样通过组合凹透镜改善像差。因此，镜片的各种像差，尤其是3层球面像差（Cs）的影响，分辨率会有所限制。但是最近几年来，利用理论上一直被倡导的多极子实现了凹透镜装置的制作，并凭借电稳定性的提高和调节中必要实验的数据积累等而最终被广泛应用。这种球差校正构造结合了TEM的透射和成像功能，实现了即便加速电压值200KV也无法实现的0.1nm的分辨率，使单个原子等级上的位置锁定和元素识别成为可能。 Fig.1中，根据照射体系中有无像差校正结构，电子束会显示不同的路线图。由于偏离透镜中心区域通过的电子束会发生大幅度折射，所以通常电子束不会在样品表面的一点聚焦，电子的探测范围被放大。另一方面，在凸镜的上方导入凹镜（像差校正结构），将会完全消除折射角度不同的现象。因此电子束在样品表面局部区域内聚焦，可以形成极细的电子探针。 另一方面，依靠像差校正，可以利用偏离透镜中心的高角度电子束，从而可以使用大型聚光器（集束)的透镜光圈。通常，聚光器透镜光圈只能使用到10mrad左右，但是通过像差校正后，20～40mrad的大型聚光器透镜光圈也可以使用。如Fig.2中所示，与像差校正前相比像差校正后的电子探测电流值增大了十倍以上。 (a) (b) Fig.1 Schematic diagram of Cs-TEM (a) without Cs-corrected, (b) with Cs-corrected (a) (b) (c) Fig.2 The Intensity profile of electron-beam (a)Before correction、(b) After correction、(c)Before and after correction 原文章地址：http://www.toray.cn/trc/kinougenri/keitai/kei_002.html
The first document from Prof. E. Bauer on LEEM resolution 1-s2.0-0304399185901767-main Bauer LEEM resolution.pdf R. Tromp et. al. develop another one for LEEM published on Ultramicrope. 1-s2.0-S0304399111002294-main.pdf Together with Michael Altman, the predicted resolution of LEEM will be 0.5 nm. This paper is also published on Ultramicroscopy very recently.
MEM is very useful technique. It has been used to see magnetic domains by Mayer in 1957. http://jap.aip.org/resource/1/japiau/v28/i9/p975_s1?isAuthorized=no However, if electron beam's normal incident, there are no contrast, so has to use skew beam to do the job. It will be worth doing so to get high resolution for surface stray field mapping in the future. The theory of MEM has been done in many years. A good book is here. http://www.google.co.uk/url?sa=trct=jq=esrc=ssource=webcd=2ved=0CDUQFjABurl=http%3A%2F%2Frepository.tudelft.nl%2Fassets%2Fuuid%3Aa0046b97-8e35-4878-bb4c-ebc065727e20%2F1307_6077.pdfei=He1KUo_lKKGe0QW75oDYBQusg=AFQjCNGktmPSuBmoUncpFk2REEvB61dWJAsig2=C_I6kF7z9jDPl0V6i6JAKwbvm=bv.53371865,d.Yms
Ruska在1931年弄出来那个雏形TEM之后，怎么1986年才拿到Nobel Prize呢，而当时和他分享这个奖的就是STM的两个发明人Gerd Binning和Heinrich Rohrer，而二人是发明STM之后5年就获奖了，这其中有怎样的故事呢？ 这个事情要从电镜的专利发明人说起。这个人却不是Ruska，而是一位西门子公司的高级技术人员，他的名字叫：Reinhold Rüdenberg 看了这张照片你的感觉如何？我的感觉是：面相有时候真的很有道理啊。为什么这么说呢，这个要从Ruska和Knoll在制备出那个双透镜的电镜之后，准备做的一次演讲说起。 Knoll要做演讲之前（1931.6.4），也就是1931.5, Rüdenberg的助手Max Steenbeck曾去Knoll实验室参观,了解到Ruska 的实验结果,并且看到了Knoll 的有关Ruska 工作的学术报告手稿,题目是“阴极射线示波器的设计及新结构的原理”,在他们的第一篇论文中也没提到电子显微镜，这里为什么没提这个呢，章效锋的书中说：他们俩还没意识到自己正在向一个全新的领域进军，而Ruska本人在那篇演讲中提到：“Not wishing to be accused of showmanship, Max Knoll and I agreed to avoid the term electron microscope in the lecture Knoll gave in June 1931 on the progress in the construction of cathode ray oscillographs where he also, for the first time, described in detail my electron-optical investigations”，也就是说，二人其实是为了避免被指责“玩概念”，而故意没有说电子显微方面的概念，他还强调：“But, of course, our thoughts were circling around a more efficient microscope.” 好，再回到Max Steenbeck这个人参观实验室，后来，他向Rüdenberg汇报了自己的见闻，这事在Steenbeck这里就算结束了一个工作过程，而Rüdenberg同学就有了一个想法：申请电子显微镜专利！ 郭可信先生的金相学史话中提到：Rüdenberg 是一位著名的电子物理学家,除了在西门子公司任科技部总工程师,还兼任柏林高工电机系教授。无论在学识、经验和远见方面都很强。但是他从来没做过磁透镜成像工作, 他的专利申请全凭理论推测得出。据Rüdenberg及他儿子事后说,1930 年他的另一个儿子得了小儿麻痹症,这是由一种过滤性病毒引起的,受到分辨率的限制,光学显微镜对此无能为力。Rüdenberg 为此曾想到用X射线或电子束制造分辨率更高的显微镜。但是,他从来没有发表过这方面的论文,在电镜界也不知名。 但Rüdenberg在1931.5.28向德、法、美等国的专利局提出用磁透镜或静电透镜制造电子显微镜的专利申请,这也是历史上第一次正式提出电子显微镜这个名词，几经周折，1953，1954年他提出的两个电镜专利申请才得到了西德专利局的批准，于是如果从专利角度来说：Rüdenberg才是第一人。 这么说该人面相不好是人品不好似乎有点过，毕竟人家也是一个大牛，无凭无据的，怎么也没法说啊。而且Rüdenberg 是理论家,虽然在电镜界似乎无人知晓,但是他在受到实验家的启发后,立刻想到利用电磁透镜制造电子显微镜,首先认识到可以用电磁透镜成像制造电子显微镜,而电子显微镜这个名称也首先出现在他的专利申请中，从而开辟了一个新领域，还是够牛的。 还有个细节，郭可信先生提到，他参加了Knoll 在1931 年的报告会,坐在第一排,但讨论中一言不发,也不透露他已于一周前递交了电镜的专利申请。可见他城府很深,居心不良。 但这都是臆测，其实最直接的证据来自他的助手Max Steenbeck. 自从二战爆发后，Rüdenberg就逃避迫害（他是犹太人）去了美国，Knoll也去了美国。而Steenbeck在前苏联工作直到1956年7月才回到东德，这时，因为这个事情郁闷了多年的Knoll同学也回到了西德，他在1960 年10月17日写了一封信给Steenbeck，就他曾在Rüdenberg 申请专利前去他的实验室参观一事提出了自己的质疑，Steenbeck 在11月8日的复信中承认了他在参观后向Rüdenberg 做了汇报,并说“Rüdenberg的申请肯定是我访问你的结果,也肯定是从我的见闻中得到的启迪”。 事情终于大白，Ruska在争夺发明权的斗争中有了狠多同情分，但事情还没有这么快解决。 为什么说还没完呢，因为还有一个静电透镜做的透射电镜来竞争，主要代笔人物是：Ernst Brüche，下图左边那位老先生就是他老年的照片： 他代表的是德国通用电气公司AEG，1932年就搞定了一台静电式透镜。 书接上回，德国通用电气AEG公司里的Ernst Brüche于1930年就有意识的在阴极射线示波器中使用电子光学元件，并在之后主导了该公司的静电透镜的研究工。 不像Ruska喜欢动手但对于理论方面有所欠缺，他对于理论方面也很有造诣，并和电镜届的先驱人物Otto Scherzer（这个人就不用我说为什么有名了吧？）一起写了一本奠基性著作《几何电子光学》（Geometrische Elektronenoptik. Berlin: Springer, 1934)。AEG公司不独这位大牛，Hans Mahl， Hans Boersch都是电镜方面的专家，Mahl在1939年制备了AEG公司的第一台静电透镜(这里有点问题，我前面提到，Ernst Brüche制备了第一台静电透镜，而且是在1932年，可能这里有些偏差）。而Hans Boersch则是理论方面见长，1936年就提请各位注意电子透镜成像和电子衍射的关系，并首次演示了电子衍射。他还在1940年发现了菲涅耳衍射条纹（正焦，欠焦过焦有不同的衬度），并给出了正确的解释。 由此可见，AEG对于电镜的贡献尤其是理论贡献那叫一个卓著！所以是谁先发明了电镜，争得不可开交，1939年，即便这边二战打的火热，两大阵营照样争的热烈之极。5年多之后，AEG公司在战争中被重创，电镜业务转给了蔡司公司，这样争论才结束。 相比之下，Siemens公司损失不大，所以有机会继续发展。为了平息两大阵营的争辩，1941年，德国的普鲁士科学院（相当于中科院），两边各给“五十金条”，也就是AEG公司的几个牛人和西门子公司的Ruska等人以及已经去做电视的Knoll老师，都颁发了莱布尼兹银质奖章。 然而细辨根由，这种争斗有些跟Ruska和Knoll当初没有很好的理解自己的发明有关，虽然他自己写到二人是为了避免过于锋芒毕露，没有提出电子显微的说法，暂且相信吧。不过后来（1931年的9月10日）Knoll和Ruska开始使用电子光学一词，这样理论上也算有了奠基人的身份，后来Nobel获奖的原因，委员会也提到是对电子光学方面的重要贡献。 除了公司之间的正面争斗，以别人的工作为启发点申请专利，据郭可信先生讲，其实还有Ruska和von Borries两人之间的争斗，因为后者是Ruska的七妹夫，还是在艰苦研发阶段最亲密的合作伙伴，这两人的争斗的确让人寒心，不过我没有找到这方面的资料，其中缘由，不便妄谈。 我上课时给学生讲，涉及到利益，组织不可靠，朋友不可靠，甚至亲人都不可靠。可靠的只有自己。 1986年12月10日，经过二战，多年之后，在多个有争议权人中，只有Ruska一人活了下来，那时Ruska已经是将近80岁（还有15天就过80岁生日），站在瑞典斯德哥尔摩city-hall(市政厅）里，我想他一定会感慨万千吧。 两年之后，老先生去世了，人命自有天定，只需努力做好自己的工作，不要太多想才好。 相比之下，STM的两个发明人就幸运的多，从发明到拿奖，5年就一鸣惊人。不过这里面也有一些有趣的故事，以后再讲。 先传一张他们的照片 其实还有一张照片： 对比一下，就知道，原来科学家也很注意形象啊。
电子显微镜到底是什么时候发明的？历经近80年，现在的很多讲义口径都不一致，比如有的说是1931年，有的说是1932年，也有1933年。最早的还有1929年，为此我特地翻了一下Ruska当年获奖时提交的一个Lecture，老先生的说法应该是1931年4月，那台在Knoll指导下动手做的双磁透镜的系统： 这里面用了两种样品，一个是Pt网，一个是铜网，分别在第一级透镜和第二级透镜前放置，成像倍率第一级到第二级之前是3.6倍，第二级是4.8倍，总倍率是大约17.4倍，第一级到像平面的倍率是13倍。 这样就有一个问题：日本的东昇博士写了一本电子显微镜的世界，是科学出版社1977年出版的，其中的23页，有一张图片： 书中介绍是Ruska1932年得到的12倍放大的微栅照片，和光学显微镜的图像一致，说明电子显微镜的可能。但我并没有看到Ruska提到这个图片，不知道各位有没有见到过？ 成像的那张图中，给出了当时的加速电压是50 kV，而有的书说是75 kV，这又矛盾，后来Ruska提到：他和Knoll为了计算分辨率，假设75 kV来做加速电压，得到了分辨率比光学分辨率高出五个数量级，由此确立了发展TEM的信心。会不会由此搞错了呢？ 1927年，Ruska的学位论文就是跟Knoll做的，大老板大概是Professor Adolf Matthias，他提出建造一种示波器：an efficient cathode-ray oscillograph for the measurement of veryfast electrical processes in power stations and on open-air high-voltage transmission lines。 Ruska对于前面读的语言很不感兴趣，对于物理那是相当有激情，当即就加入了。1929年他设计出了老板想要的东东，算是TEM的雏形吧： 如iamikaruk专家所说，他的本意就是做示波器，那么怎么想着用磁透镜了呢？因为示波器的最重要参数就是得到细而亮的“writing spot”（具体怎么解释还得请教各位）。 万物自有其运行的法度，1927年，Hans Busch计算了电子在轴对称磁场中的运动轨迹，发现磁场可以有凸透镜类似的功能：聚焦电子束，而且可以通过改变磁线圈的电流大小，来调节焦距的长短，但他用了自己16年前的实验结果来比对，发现根本不吻合。但Ruska尝试自己搭建了一套示波器装置，如上图那个单透镜系统，发现可以达到Busch的预期。 Ruska分析认为Busch的失败是Busch的电磁线圈的磁场分布尺寸太大导致的。而自己搭建的装置则改进了这种缺陷。由此1929年，Ruska就得到了很多电子光学方面的图像（这个和東昇的说法同样不一致）。Ruska还进行了一项重要的改进，就是把电磁线圈之外加一个铁壳，这样就能使磁场更强更集中，利于在小电流就能调变焦距，下面这张图我贴过的，这里再重复一下： 那么就有一个问题，TEM当初开始研究的时候有两大透镜：静电透镜和磁透镜，为什么Ruska单单盯着磁透镜呢？ 其实静电透镜在当时的供电条件和硬件方面是适合TEM的，电磁透镜反而有诸多不便，所以Ruska开始的研究目标也是静电透镜，但是，他对静电透镜有一个错误的理解：“because of the mirror-like symmetry of the electrostatic field of the electrodes on either side of the lens centre, a concentrating effect of the curved equipotential planes in the hole area could not take place.” （这段话的意思我不是太明白，还请高手来指点）应该是说他觉得静电场具有晶面对称性，而通过静电透镜的等电势曲面的电子束没有可能被聚焦。后来Ruska才想到其实静电场的电势是可以不断变化来达到聚焦的目的。但有趣的是，Knoll同学居然也没有觉出其中的错误。 Ruska还对静电透镜做了另外一种尝试，不太明白，我贴在这里，高手来帮忙看看什么意思： I made the electron bundle pass a bored-out spherical condenser with fine-meshed spherically shaped grids fixed over each end of the bore. With this arrangement I obtained laterally inverted images in the correct imaging scale. Somewhat later I found a solution which was unfortunately only theoretically correct. In analogy to the refraction of the light rays on their passage through the optical lens at their surfaces (“Grenzflauml;chen), I wanted to use, for the electrical lens, the potential steps at corresponding surfaces, which are shaped like glasses lenses. Thus, the energy of the electron beams is temporarily changed-just like light beams on passage through optical lenses. For the realization of this idea, on each side of the lens two closely neighboured fine-meshed grids of the shape of optical lenses are required which must be kept on electrical potentials different from each other.First attempts confirmed the rightness of this idea, but at the same time also the practical inaptness of such grid lenses because of the too-strong absorption of the electron beam at the four grids and due to the field distribution by the wires. （我让电子束通过一个钻了孔的球形聚光镜。孔的两端分别固定了球面形细网。利用这种装置，我得到了尺寸正确的横向颠倒的像。稍晚一些时间，我找到了一种解决方法，但不幸的是它只是在理论上是正确的。如同光线通过光学透镜时在表面发生折射一样，对于电子透镜，我想利用相应表面处做成玻璃透镜形状的阶梯形电势。这样，就象光通过光学透镜一样，电子束的能量被暂时改变了。为了实现这种设计，需要在透镜的每一端有两个离得很近的，具有光学透镜形状的细网，并且分别带有不同的电势。初期的尝试证实了这个想法的正确性，但同时也证实了由于四个网格对电子束吸收太强以及格栅的电场分布使得这种网格透镜在实用上是不可行的。）-translated by drizzlemiao
文/杨书卷 世界最著名、最具影响力的自然科学大奖，在10月上旬又迎来了新的颁奖季——2011年诺贝尔生理学或医学奖、物理学奖、化学奖先后尘埃落定。“免疫系统激活原理”、“宇宙加速膨胀”和“准晶体”的发现实至名归，分属美国、卢森堡、加拿大、澳大利亚、以色列等5国的7位科学家赢得了最终殊荣。 其中，诺贝尔化学奖获得者、以色列科学家Daniel Shechtman的成就最为人津津乐道，这不仅是因为在上述三大奖项中，Shechtman是独享化学奖项的唯一科学家，还因为他在发现“准晶体”时，背后让人回味无穷的故事。 “当我告诉别人，我发现了准晶体的时候，所有人都在嘲笑我。”这是得知获奖后，Shechtman发表的一则声明，在这看似轻描淡写的语句中，道出了Shechtman初期发现准晶体后体会到的无尽辛酸。1982年4月8日上午，Shechtman借助电子显微镜发现一种特殊的晶体，部分显示出晶体特性，另一部分则是非晶体的表达方式。但是，由于此时科学界的主流观点是非此即彼——固体物质只可能是晶体与非晶体的一种，Shechtman的发现几乎遭到所有同行的排斥，甚至不得不被迫离开他所在的研究室。而之后，他的有关准晶体的论文也屡遭拒绝，在排除万难发表后，整个化学界更是喧嚣甚上，攻击至多，著名的化学家、两届诺贝尔奖得主Linus Pauling公开揶揄他为“准科学家”。在经历过不被理解的坎坷和最激烈的批判后，直到1987年，法国和日本科学家研制出足够大的准晶体，Shechtman的理论才终于得到科学界的认可，而硬度高、有弹性的准晶体材料的发展潜力也已行在途中。 30年后，Shechtman的执着坚持最终获得回报，而他勇敢追求真理的非凡勇气，也让人们再一次认识到科学研究的精髓与魅力，这种高尚品格是千百年来吸引科学家不断求索自然界奥秘的动力，也是科学家之所以被人尊敬崇拜的原因。“Shechtman的发现是科学界最伟大的发现之一，勇敢挑战了当时的权威体系。”美国化学协会主席Jackson Tennessee的高度评价可谓恰如其分。 而此次的诺贝尔物理学奖也呈现出同样的境界，美国科学家Saul Perlmutter、Brian P. Schmidt和美澳科学家Adam G. Riess因“通过观测遥远超新星发现宇宙的加速膨胀”而获奖，他们52、44、42岁的年龄，在历届诺贝尔奖得主中可谓是“毛头小伙”，而他们的发现也确实充满了年轻人的创造力。过去认为，在万有引力的作用下，宇宙是在减速膨胀，而他们的研究开始时，是想测量这速度是如何减慢的，但与之相反，1998年他们“在研究几十颗处于爆炸状态的‘超新星’中，却发现了宇宙加速膨胀的事实”，此发现颠覆了权威的观点，并且证明了暗能量的存在，其理论是过去30年来对物理学的最大震动。 不过，由于很难发现超新星，超新星观测研究一直处于低谷，当Perlmutter在进行超新星观测工作时，他们很长时间未取得任何成果，美国政府是否继续提供资助也成为问题。但Perlmutter想方设法坚持下去，一举取得最前沿突破，这种在极度困难中坚持下去的非凡勇气，更值得人们钦佩。 当“宇宙的加速膨胀”理论提出之时，也有诸多人认为研究有问题，但后续研究均证明了发现是对的，如果使用“宇宙的加速膨胀”理论，那么宇宙的73%左右由暗能量构成，22%是暗物质，因此，2011年诺贝尔物理学奖的发现，向人类揭露了一个近96%的成分仍然未知的宇宙，从而开拓出一个可以跟爱因斯坦相对论相比拟的新领域。 而对本届诺贝尔生理学或医学奖，评审委员认定评语为“本年度3名获奖者发现免疫系统激活的关键原理，革命性地改变我们大家对免疫系统的理解”。其中，美国科学家Bruce A. Beutler和法国科学家Jules A. Hoffmann，获奖理由是“先天免疫激活方面的发现”，而加拿大科学家Ralph M. Steinman的获奖理由是“发现树突状细胞及其在获得性免疫中的作用”，而这两项成果所构成的“合力”，可以开发出与传统的以预防为主的疫苗迥然不同的新型“治疗性疫苗”，能调动人体免疫系统对癌症发起“攻击”，并为驱使人体自身细胞和免疫进程来阻止传染病、自体免疫紊乱、过敏、癌症和器官移植排异提供了可能性，他们的理论对造福人类有着深远的影响。 令人伤感的是，68岁的Steinman在获奖消息公布前3天病逝，没能亲耳听见自己获奖的消息。Steinman在发现树突状细胞的重要作用初期，很少有人认识到它的重要性，但Steinman坚持下来，很久之后科学界才普遍意识其伟大之处。Steinman在４年前被诊断出患有胰腺癌，这种病通常只有不到1年的生存时间，而他利用自己设计、以树突细胞为基础的免疫疗法延长了寿命，并一直梦想用这一发现研制新型疫苗，而这一目标现在正在被更多人追随。 诺贝尔奖有着举世瞩目的影响，它带给世界的不仅仅是荣誉，更有很多对后世影响重大的科学成果，并让真正的科学背后的故事为人们所熟知，我们会看到科学如何在荆棘和沼泽中艰难走来，却更加坚定了对胜利的信念。9月26日举行的中国科协年会开幕式上，中国科协主席韩启德对中国的科技奖励制度提出自己的意见，建议应减少各级政府设立的奖项，扶持学术团体的优秀奖励品牌，而且“奖励要强调经过时间沉淀和考验，拒绝授予既没有原始理论创新，又还没有证明具有重大应用价值的所谓中间成果”。让科学精神回归科学奖励，真正激活科技奖励机制，也是本届诺贝尔奖给中国的启示。■
Reaching a new resolution standard with electron microscopy Robert F. Klie Nanoscale Physics Group, Department of Physics, University of Illinois at Chicago, Chicago, IL 60607, USA A new approach to reduce spherical and chromatic aberration in electron microscopy allows for low-energy imaging of single-layer boron nitride, a novel 2D nanostructure that is analogous to graphene.
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