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科研那些事儿 精选

已有 2132 次阅读 2017-4-20 16:06 |系统分类:科研笔记

   有人晒菜肴,有人晒萌娃,也有人晒颜值,俺来晒点重口味的吧,说说科研那点事儿,关于本人从事的纳米材料及超高分辨透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy)技术,简称TEM。首先要介绍一下这台目前全球科研设备中最昂贵之一、集最尖端光学与电子学精密配件为一体、最需要无微不至呵护与关怀的“三最”设备。要想在科研领域发表高质量的文章,设备平台很重要,就如打仗时你手持小米加步枪还是AK47冲锋枪一样,科研idea主要是依靠先进的设备技术才能实现,很可惜在中国这方面的尖端精密仪器主要靠进口而没有自主研发产品,虽然每年的GDP看似很可人,其实也就是个P(屁),都是牺牲环境能源及廉价劳动力而获得的。目前世界上生产透射电镜的主要是这三家电镜制造商:日本的日本电子(JEOL)和日立(Hitachi)以及美国的FEI公司(是把荷兰的菲利浦电镜公司收购了后成为与日本电子竞争最激烈的电镜公司),尤其近几年国内各大学与科研院所争先恐后购买高分辨透射电镜,由于小日本与我朝的关系历来不咋地,顺带也影响了日本电子的透射电镜在国内的销售量,使得FEI公司趁机扩大在中国的销售,并在魔都大上海设立分部,中国每年科研设备经费中数以亿元都被FEI电镜公司收入囊中,FEI在全球网络各种光学显微镜方面的高级人才以不断推出更先进更昂贵的透射电镜,因为兜里有钱做事自然任性,经常以重金将日本电子公司挖人,日本鬼子如何能干的过美帝老儿呢,是吧?不过这只是个人观点,若相关人员看到此文字请不要用板儿砖拍我哈。

   透射电子显微镜的分辨率比光学显微镜高的很多,可以达到0.1~0.2nm,放大倍数为几万~百万倍。因此,使用透射电子显微镜可以用于观察样品的精细结构,甚至可以用于观察仅仅一列原子的结构,比光学显微镜所能够观察到的最小的结构小数万倍。说到透射电子显微镜,不得不提的一个大咖人物就是:恩斯特·鲁斯卡(Ernst August Friedrich Ruska),德國物理学家,电子显微镜的发明者,1986年获诺贝尔物理学奖,年轻时的鲁斯卡也是一枚高颜值高智商的帅哥。第一台TEM由他和马克斯·克诺尔在1931年研制成功,并于1933年研制了第一台分辨率超过可见光的TEM,而第一台商用TEM是在1939年研制成功。在此不得不提及一下德意志的教育体系,相比我朝的应试教育来说,德国的教育明显是素质加能力教育,小学生每周都要在老师的带领下到不同博物馆了解并学习相关知识,比如说光学显微镜博物馆,每一位小学生都有机会尝试使用显微镜观察微小颗粒,树立和培养他们在科学方面的兴趣。在德国各大城市的博物馆无数,保存完好的原始影像资料等令人赞叹这个德意志民族的伟大。


   透射电子显微镜是采用波长极短的电子束(200 千伏加速电压下电子波长为0.00251 纳米),用电磁场作透镜以实现显微成像,既看到表面图像的同时也能看到内层物质,类似我们拍的X光片,内脏骨骼之类的都重叠显现,总的来说顾名思义透射就是能见到内部的结构及表面形貌。另外,由于电子在电场中会受到电场力运动,以及运动的电子在磁场中会受到洛伦兹力的作用而发生偏转,这使得电子束聚焦和成像成为可能。常规的透射电镜加速电压为100~200 kV。代表性产品有日本电子的JEM-2010,日立的H-8000,菲利浦的CM200,FEI的TECNAI20.200 kV透射电镜的分辨率可达0.19纳米。另外有中压透射电镜其加速电压为300~400 kV。代表性产品有日本电子的JEM-3010、JEM-4000,日立的H-9500,FEI的TECNAI F30。300kV透射电镜的分辨率可达0.17纳米,400kV透射电镜的分辨率可达0.163纳米。然后就是高压透射电镜加速电压为1000 kV。代表性产品有JEM-1000,日立公司还制造了世界上最大的3000 kV的透射电镜。目前1000 kV的透射电镜最高分辨率可达0.1纳米。高校科研院所使用最多的透射电镜是200 kV和300 kV的电镜,高压电镜由于价格昂贵,体积庞大,用得很少。德国科学家利用计算机技术实现对磁透镜进行球差矫正,可以实现零球差,以及负球差,从而大大提高透射电镜的空间分辨本领,目前的最高点分辨率可以达到0.1纳米,做个形象点的比喻就是:在月球上观察地球表面上有一枚一分钱大小的硬币的感觉,是不是顿时觉得科技之伟大。俺留学的莱斯大学(俗称米饭大学)材料科学与纳米工程学院引进购买了一台FEI-Titan系列的超先进透射电镜,可在原子尺度进行原位研究,了解材料的结构与功能之间的关系。希望有一天能亲自尝试这台梦中之镜吧。


   由于电子束的穿透力很弱,对透射电镜的样品的厚度要求极为苛刻(10-50纳米左右),一般针对生长在基体表面的纳米材料,如果想观察到基体(通常为金属、碳化硅、蓝宝石类)与纳米材料(纳米线、二维层状纳米片等各种形貌)之间的界面关系,则需要采用聚焦离子束刻蚀(FIB)截面分析技术来实现。偶现在的主要技能就(如上图所示分子外延法制备氮化镓纳米线生长在蓝宝石表面等离子喷涂Ti单晶层)是制备各种该类样品,观察生长在基体表面的纳米材料之间的结构与形貌,进而分析其性能。每次制出一个像样子的样品在电镜下呈现出清晰的原子形貌,内心还是相当满足的,一丝丝的成就感油然而生,也能体会到科研的一些屌丝般的乐趣,说实话自己一根筋读书拿到博士学位也并不是对科研事业有多么大的兴趣,相比之下文学写作与打羽毛球才是我喜欢做的事哈哈,但是至从自己指导了两位硕士思密达后,将他们二位带入电镜世界,顿觉自己也是有可能成为一位称职的老师潜质。谢思密达已经在荷兰攻读自己的博士学位,时常与电镜为伴,正在为高质量系列文章奋斗着;而另一位康康思密达更是已经顺利打入FEI公司电镜工程师行列,不久的将来即是高级工程师的节奏,前途一片大好。在与他们相处中互相鼓励,互相进步,我自己也学到很多,自感学术水平浅薄,没有授予他们更多技能与知识,因此愧不敢让他们称我老师。科研事业也许枯燥,但却能在这个单纯而单调的行业领域中保持一颗平和客观的心态,并总能时刻提醒自己要不断学习,不要被这个快速发展的时代所淘汰,永不懈怠。

   每当身边朋友听到我从事的工作时,总会讶异地看着我,觉得我做科研工作很是意外,在多数人的思维定式中科研人员就应该是戴着厚厚镜片的近视眼镜,两耳不闻窗外事只专注于自己那一小片科研小天地里不能自拔......,事实上,科研工作没有想象中那么深不可测,从事科研的人们也不是那么传说中另类,难以接近,尤其女博士被称作第三类人,而事实是她们是一群可爱的活得简单的女生,在我看来无论你从事任何职业,人格才是最高学位,没有之一是唯一。

   高格格

  2017.04.20





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