[摘 要] 該文認(rèn)為，電子顯微鏡是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，因此“電子顯微分析”課程是生物，醫(yī)學(xué)，材料，化學(xué)和物理等相關(guān)研究專業(yè)碩博研究生的核心課程之一。由于課程對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)理論要求較高，知識(shí)點(diǎn)復(fù)雜，枯燥不易學(xué)，如何讓學(xué)生掌握該課程內(nèi)容，成為教學(xué)難點(diǎn)。實(shí)踐表明：將課程中的理論知識(shí)與儀器設(shè)備操作，以及實(shí)際的數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，提高學(xué)習(xí)的積極性，達(dá)到提升教學(xué)成果的目的。

[關(guān)鍵詞] 電子顯微分析;課程教學(xué);理論實(shí)踐

[作者簡(jiǎn)介] 沈永龍（1982—），男，工學(xué)博士，鄭州大學(xué)材料與科學(xué)工程學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事半導(dǎo)體薄膜及器件、材料結(jié)構(gòu)高端表征、材料物理等研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）17-0256-02 ? ?[收稿日期] 2019-10-10

一、前言

隨著科技的進(jìn)步，人類對(duì)科學(xué)研究的不斷深入，需要更好地觀察物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，從放大鏡到光學(xué)顯微鏡，直到現(xiàn)在的電子顯微鏡得到廣泛的應(yīng)用。之所以用到了電子顯微分析技術(shù)，是由于可見光波長(zhǎng)限制了光學(xué)顯微鏡的圖像分辨率[1]，如今較好的電子顯微鏡的圖像分辨率可以達(dá)到0.1nm以上。電子顯微分析技術(shù)在材料、化學(xué)、生物、物理、醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，因此“電子顯微分析”課程成為相關(guān)研究專業(yè)碩博研究生的核心課程之一。希望學(xué)生們通過(guò)對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，可以對(duì)以后的科研工作提供一個(gè)更好的分析方法和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確分析，從而更好的分析驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論。從2018年開始，筆者所在學(xué)校材料科學(xué)與工程學(xué)院結(jié)合以往的教學(xué)模式，為研究生提供更加近距離的學(xué)習(xí)高端分析手段的機(jī)會(huì)，實(shí)行理論與操作相互結(jié)合，面向全院研究生，開設(shè)了2個(gè)學(xué)分32學(xué)時(shí)的“電子顯微分析”課程。

二、電子顯微分析技術(shù)的發(fā)展與分類

1925年，Louis de Broglie首先提出了電子的波動(dòng)性理論，并且電子波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于可見光波長(zhǎng)，這一理論的提出為電子顯微分析奠定了理論基礎(chǔ)。1927年，Davisson和Germer，Thomson和Reid兩個(gè)研究組分別獨(dú)立證實(shí)了電子具有波動(dòng)性，隨后1932年Ruska和Knoll首次在論文中提出電子顯微鏡的概念，并且實(shí)現(xiàn)了電子透鏡成像的設(shè)想，為此在1986年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第一臺(tái)商業(yè)透射電子顯微鏡在1936年由英國(guó)一家公司生產(chǎn)建造。隨著電鏡的不斷發(fā)展，又先后出現(xiàn)了球差電鏡和冷凍電鏡。對(duì)于掃描電鏡，德國(guó)的Knoll在1935年提出了掃描電鏡的工作原理。1942年，Zworykin.Hill制成第一臺(tái)掃描電子顯微鏡，但僅在實(shí)驗(yàn)室中使用，直到1965年才真正作為商業(yè)用途。目前，電子顯微鏡在追求高分辨率和高質(zhì)量圖像的同時(shí)，也在追求多功能化，從而出現(xiàn)了多種復(fù)合電鏡，如掃描透射電子顯微鏡等。

電子顯微分析從電子束的形式來(lái)分，可以分成掃描電子分析和透射電子分析[2]。對(duì)于電子顯微鏡來(lái)說(shuō)，可以分為掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡。其中掃描電子顯微鏡根據(jù)電子槍的不同分為鎢燈絲、六硼化鑭燈絲和場(chǎng)發(fā)射三種，鎢燈絲、六硼化鑭燈絲都屬于熱發(fā)射[3]，而場(chǎng)發(fā)射又分為冷場(chǎng)和熱場(chǎng)兩種，一般在掃描電鏡中使用冷場(chǎng)發(fā)射。透射電子顯微鏡種類很多，包括高壓TEM（1MV-3MV）、中間電壓TEM（IVEM）（200-400kV）、低壓TEM（LVEM）（<100kV）、高分辨率TEM（HRTEM）、掃描TEM（STEM）、分析TEM（AEM）、球差電鏡和冷凍電鏡等。

三、課程的主要要求、內(nèi)容及安排

開設(shè)本課程的主要要求：了解電子顯微分析技術(shù)的發(fā)展歷程及最新進(jìn)展;了解電子與物質(zhì)的相互作用;掌握透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡的主要結(jié)構(gòu)和工作原理;了解和掌握不同樣品的制備方法;掌握電子衍射分析和衍射譜圖的標(biāo)定;對(duì)電子顯微分析有初步的了解，掌握不同的電子顯微分析技術(shù)在材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

課程內(nèi)容主要分為理論基礎(chǔ)、透射電子顯微分析（TEM）、掃描透射電子顯微分析（STEM）、能譜分析（EDX）和能量損失譜（EELS）等，透射電子顯微分析是本課程的重心所在。透射電子分析包括以下四部分：

第一部分簡(jiǎn)單的介紹透射電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，隨后講解了透射電子顯微鏡的應(yīng)用以及選擇透射電子顯微鏡的原因，最后提到對(duì)于透射電子顯微分析也存在自身的問題，比如高分辨成像的代價(jià)就是取樣范圍很小，單一的TEM圖像對(duì)深度不敏感，電子束損傷樣品，以及樣品制備困難等。

第二部分主要講解理論基礎(chǔ)，其中包括電子的散射和衍射及其特點(diǎn)，透射電子顯微鏡中是如何利用電子散射的，彈性散射是TEM圖像襯度的來(lái)源，是衍射花樣中產(chǎn)生強(qiáng)度分布的主要因素，對(duì)于非彈性衍射的研究，通過(guò)其它附加儀器，來(lái)探測(cè)和解析不同信號(hào)，就可以更加全面的了解樣品。

第三部分對(duì)透射電子顯微鏡的設(shè)備進(jìn)行講解學(xué)習(xí)，TEM的主要構(gòu)成包括電子源、電子槍、透鏡、光闌、觀察屏、電子探測(cè)器、真空泵和樣品桿。能滿足TEM使用的電子源目前有兩種，一種是熱發(fā)射電子源（包括W燈絲和LaB6晶體）另一種是場(chǎng)發(fā)射電子源，采用的是很細(xì)的針狀W絲。TEM中透鏡的兩個(gè)基本功能：一是把從物體中一點(diǎn)發(fā)出的所有光線在像上會(huì)聚到一點(diǎn);二是把平行光會(huì)聚到透鏡焦平面上的一點(diǎn)。由于氣體對(duì)電子的散射很強(qiáng)，同時(shí)高真空對(duì)于保持樣品表面的清潔非常重要所以在測(cè)試過(guò)程中需要很高的真空條件。

第四部分為電子衍射，分別講解了晶體學(xué)基礎(chǔ)、衍射基礎(chǔ)、平行束電子衍射花樣的標(biāo)定、菊池線和會(huì)聚束衍射分析。本章節(jié)主要是為了讓學(xué)生掌握電子衍射花樣的標(biāo)定以及數(shù)據(jù)的分析，為以后的科研學(xué)習(xí)提供幫助。

課程安排：①第一部分安排4個(gè)學(xué)時(shí)進(jìn)行課堂講解學(xué)習(xí);②第二、三、四部分分別安排8個(gè)學(xué)時(shí)進(jìn)行課堂學(xué)習(xí);③最后4個(gè)學(xué)時(shí)，將帶領(lǐng)同學(xué)們進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行透射電子顯微鏡的操作學(xué)習(xí)。

四、結(jié)語(yǔ)

在科技發(fā)展極其迅速的當(dāng)今時(shí)代，為研究生提供一次學(xué)習(xí)高端分析手段的機(jī)會(huì)，會(huì)為以后的科研生涯帶來(lái)諸多益處。通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，同學(xué)們對(duì)電子顯微分析有了更加深層次的了解和掌握，在最后對(duì)儀器的操作學(xué)習(xí)中不僅是對(duì)理論知識(shí)的鞏固，更是對(duì)透射電子顯微鏡儀器的了解。同時(shí)在對(duì)“電子顯微分析”的教學(xué)過(guò)程中，讓我明白了對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)老師的課堂上理論教學(xué)其實(shí)更需要與實(shí)際操作相結(jié)合，讓學(xué)生學(xué)以致用才是作為一名老師最應(yīng)該傳授給學(xué)生的。本課程的開設(shè)旨在培養(yǎng)具有扎實(shí)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，又可以掌握先進(jìn)的技術(shù)及設(shè)備全方面發(fā)展的應(yīng)用型人才。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡浩原.高分辨率表面等離子體顯微鏡綜述[J].中國(guó)光學(xué)，2014，7（5）：691-700.

[2]田青超，陳家光.材料電子顯微分析與應(yīng)用[J].理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)，2010，（1）：21-25.

[3]陳木子，高偉建，張勇，馮善娥.淺談掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)及維護(hù)[J].分析儀器，2013，（4）：91-93.

Abstract：Electron microscopy is the critical technique for studying the microstructure of matter.Therefore，Electron Micro-analysis is one of the core courses of postgraduate students in biology，medicine，materials，chemistry and physics，etc.Because the curriculum has higher requirements on students' background knowledge，the features of which are complicated，boring and difficult to learn.How to make students understand the content of the course becomes a difficult teaching point.Practice shows that through combining the theoretical knowledge in the course with the operation of instruments，as well as the actual data analysis，our course can help students to understand the knowledge points better，improve the enthusiasm of learning，and achieve the purpose of improving teaching results.

Key words：electron micro-analysis;course teaching;theoretical practice