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挑战极限:如何“辨认区分”不同物质的原子? 精选

已有 8035 次阅读 2011-8-22 08:26 |个人分类:研究视野|系统分类:科普集锦

 

    我们在竞技比赛的时候,喜欢挑战自我极限;对于做科研用的仪器,也在默默的毫无硝烟的挑战着极限。从最初的观察物质的宏观现象,到越来越精细的探测物质的微观结构,每一次的突破莫不体现着科学技术的进步。在前面的一篇博文《常见的研究工具,神奇的妙用》中,聊了聊扫描电镜的特殊功用。这里,我尽量通俗易懂的科普一下另外一种最常见的电镜-透射电镜(Transmission Electron Microscopy)的一种特殊功能,即Z衬度成像。紧紧是耍了一下魔术,物质的全部细节都毫无保留的“裸露”在我们面前,真是越来越没有“隐私”啊:)

      Z衬度成像,也可叫做Annular  Dark Field (ADF) imaging,这种技术不仅可以看到物质的原子,而且还可以“辨认区分”不同成分的物质原子。做生物研究的,希望看到不同的分子;做材料研究的,希望辨别不同的原子,这个技术或许能给一些启发。事实上,这种技术现在国际上研究很热门,大家输入关键词“Z-contrast imaging”Nature或者Science上就能搜索到相关文献,更别提其他专业性的期刊了。

    下面非常简要通俗的介绍Z衬度成像的原理,参看下图。当电子“旅行”到物质上时,会和物质发生“亲密”的相互作用。由于在电镜下的物质一般很薄(纳米级别),那些被“作用”了的电子一般会透过物质,并把传带的物质的相关信息呈现给观察者。如果我们只观察散射角度很小的一些“作用”电子,就是常见的透射电镜的基本操作方面;而如果我们用一个Annular(环形的)探测器专门收集大角度散射(大于50 mrad的“作用”电子,就是Z衬度成像啦。由于大角度散射的“作用”电子和物质的原子系数Z有关,一般是Z越大,最后在成的像中原子越亮,从而不同物质的原子可以“辨认区分”开来。

 

    举一个例子来更加感性化我们的认识。太阳能电池,因为和能源有关,可谓是现在研究的当红明星。由于制作太阳能电池的原材料中经常会有一些杂质原子,而这些杂质原子会对太阳能电池的转化效率产生严重影响,所以探测杂质原子在成品中的“居住”位置显得尤为重要。在下图(a)中,衬度基本上一样,说明周围没有杂质原子;而在图(b)中,沿着两个箭头的导向,在其交界处,我们会明显的发现特别亮的原子,它们和基体的原子衬度不一样,说明这些杂质原子喜欢“居住”在有缺陷的地方。

 

    如需更详细的了解,可参考下面的内容:

 

impurity detection in Si solar cell.pdf



http://blog.sciencenet.cn/blog-504218-478142.html

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