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人类视野的延伸与科学的进步—显微观察系列方法
视觉信息是人类信息的基础来源之一。人类眼睛观察周围世界，感受并欣赏美好事物的存在。但人类的好奇心及对事物本质追求的天性，使得我们不仅仅满足于对事物表面现象的观察。我们要知道周围大千世界如此存在的原因，进一步找到规律并加以利用，去改善我们的环境。这就需要对物质的构成、状态等细节进行进一步的了解。就需要借助各种手段。微观分析观察已经成为现代科学研究的基本方法。 1、光学显微镜 光学显微镜首先打开了人类的视野，使人们看到了神奇的微观世界。光学显微镜是一组光学透镜的组合。它的最高分辨率为0.2um，比人眼的分辨率100um提高了许多。分辨率是指显微镜或眼睛能清楚分辨被检测物体细微结构的最小间隔的能力。 在医学及生物学方面，通过光学显微镜人类观察到了组成有机体的基本单元—细胞及许多微生物。离我们很近的实例，通过显微镜医生可以确定我们血液中红、白细胞的数目，从而初步判断我们的身体状况。 冶金及材料学工作者利用显微镜观察显微结构，例如：经过抛光腐蚀后可以看到不同金属或合金的晶粒大小及特点，从而判断其性能及其形成条件。为人们能够按照自己的意愿合成新的合金，或改变金属性能提供依据。 光学显微镜0.2um的分辨率是成像过程中可见光的衍射差决定的，所以，放大倍数，局限在1000倍左右。随着科学技术的进步，这一倍率的观察已经不能满足人们研究的需要。 2、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope） 扫描电子显微镜是将电子枪发射出来的电子聚焦成很细的电子束，用此电子束在样品表面进行逐行扫描，电子束激发样品表面发射二次电子，二次电子被收集并转换成电信号，在荧光屏上同步扫描成像。由于样品表面形貌各异，发射二次电子强度不同。对应在屏幕上亮度不同，得到表面形貌像。目前扫描电子显微镜的分辨率已经达到了2纳米左右。 扫描电镜与X射线能谱配合使用，使得我们在看到样品的微观结构的同时，还能分析样品的元素成分及在相应视野的元素分布。因此，扫描电镜不仅是对光学显微镜的简单延伸，而是一个从结构到成份分析同时实现的更加有用的分析仪器。因此，在研究物体超微结构及其性能方面，它已经成为不可或缺的分析手段。 在生物医学领域，利用扫描电镜不仅能够看到细胞及微生物，而且可以清楚地看到细胞膜、细胞器官的微结构和病毒乃至生物大分子。电子显微技术和分子生物学技术的结合，使人们对细胞的研究从单纯的形态观察发展到对细胞及其微结构的动态研究。 再从我们身边的计算机来看。体积的缩小、计算能力的提高和速度的加快，取决于集成电路特征尺寸的降低。这个特征尺寸是指离子注入层薄度和线条的精细程度。也就是集成电路上最小器件的尺寸。
从70年代出现集成电路到1995年，集成电路的特征尺寸从几微米降低到0.35um，动态存储器（DRAM）集成度从16KB提高到64MB；直到现在0.18um，集成度达到256MB。意味着，集成电路中的最小器件尺寸已经达到0.18um现在的研究必然依靠扫描电镜这类高分辨率的观察分析仪器。 在材料科学的研究已经达到纳米阶段的今天，扫描电镜已经成为一种常规的观察分析手段。而在地质、刑事侦破等领域都有广泛的应用前景。 扫描电镜的分辨率虽高，但是，它只能在真空中对导电样品进行观察，否则电子在到达样品之前将被介质吸收，无法达到观察的目的。因此，对液体、特殊气氛下才存在的一些现象扫描电镜无法进行观察；另外，它也不能对样品表面进行微细加工和表面性能测定。 3、原子力显微镜(Atomic Force Microscope) 原子力显微镜是利用固定在微悬臂上的微探针，与样品接近，当微探针与样品接近到一定程度时，产生同距离有关的相互作用力。在微探针的扫描过程中，样品表面的起伏将引起相互作用力的变化，保持这个力的值不变，则微探针的扫描结果就是表面形貌。 1986年AFM诞生以来，它的应用领域不断扩大，改变微探针的性能，可以测量样品表面的导电性、导磁性等等。现在已经成为庞大的扫描探针家族。 在表面观察过程中，XY方向的分辨率可以达到0.1nm、Z方向的分辨率可以达到0.01nm。可见原子力显微镜，不仅分辨率高，还能给出纵向高程差。经过短短十几年的发展，它已被用来探测各种表面力、纳米机械性能、对生物过程进行现场观察；还被用来将电荷定向沉积、对材料进行纳米加工等。
人类观察手段不断革新在延伸人类视野同时，促进着科学的发展，并在不断改善着我们的生活。
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发表于 2006-12-20 14:33:00
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发表于 2006-12-21 10:01:00