探索微觀奇境:從光學到電子,顯微鏡的進化之旅

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過去的人們總認為眼見為實,對於肉眼不可見的微小世界,是完全不瞭解甚至是不知其存在的。當放大鏡發明之後,我們終於可以看清昆蟲、花朵等的細微結構;延伸應用光學元件進行組合,光學顯微鏡的誕生為我們開啟了微觀的大門;而突破瑞利準則的電子顯微鏡、掃描式電子顯微鏡更是使我們進入奈米世界。可以這麼說,是顯微鏡的發展推動了科技的進程。

圖1 放大鏡下的影像|來源:Microsoft Bing AI

撰文|黃鼎鈞

放大鏡的魔力使每一個人都著迷,讓我們可以走入微觀世界,用全新的視野觀看這個世界。根據放大鏡的原理,科學家又發明出了光學顯微鏡,可以將物質放大至約1000倍,然而因為瑞利準則的限制,使得光學顯微鏡無法再將放大倍率提升。所幸電子顯微鏡的發明突破了這項瓶頸,根據波粒二象性,電子的物質波波長比可見光波長小上許多,以電子束掃描物體表面,並透過影像合成產生顯影的掃瞄式電子顯微鏡能夠將放大率提升至百萬倍,且同時還能檢測物質的成分比例,成為了人們前進奈米世界的重要工具,也成為近年來觀測Covid-19病毒表面型態的幫手。

 

放大鏡的光學原理

回想起童年的時光,許多人都擁有過玩放大鏡的美好回憶。那份奇妙的感覺可能是許多人對於科學的啟蒙。當我們將微小的物體放在放大鏡下,便彷彿進入了另一個世界,物體的細節與結構清晰可見,微小世界的美妙與複雜讓人不禁發出一聲驚嘆。放大鏡的構造相當簡單,通常是由一個凸透鏡組成。凸透鏡是一個中心較厚、邊緣較薄的玻璃或透明塑膠透鏡,具有改變光行徑路線的能力。當光線穿過凸透鏡時,會被透鏡彎曲向中心集中,最後聚焦於焦點上。當我們將物體放置在凸透鏡的焦點內時,物體發出的光線經過凸透鏡的折射,便會形成一個放大的影像(圖2)。這樣的光學應用讓我們能夠更清晰地觀察微小事物,例如昆蟲的構造細節、花朵的花蕊,甚至是細胞的結構。它為我們打開了一扇通往微觀世界的窗戶,讓我們能更深入地瞭解自然界的奧祕。

圖2 凸透鏡放大原理|來源:作者提供

 

光學顯微鏡的出現與限制

延續放大鏡的概念,科學家們運用不同光學元件的組合,結合光的折射、干涉等特性,並加上額外的光源,使放大倍率和解析度進一步提高,便形成了幾乎每一間科學研究室必備的工具——光學顯微鏡。光學顯微鏡在十八世紀便已能達到約1000倍的放大倍率,這也是光學顯微鏡的極限了。那麼,我們是否可套光學系統組合起來使放大倍率再提升呢?事實上,光學的量測方式會受限於光的波長,當兩個物體之間的距離小於或等於光波長的一半時,光的繞射現象將使得影像重疊,並讓觀察到的影像變得模糊不清,這種限制被稱為瑞利準則 (Rayleigh criterion)。想像一下,如果沙灘上有許多沙坑,我們選擇一根木棒作為量測工具,這根木棒可以幫助我們測量不同沙坑之間的距離;然而,如果兩個沙坑之間的距離比木棒的長度還要短,甚至不到木棒長度的一半,那麼我們將很難判斷這兩個沙坑個別的影像,甚至產生可能不只有兩個沙坑在其中的懷疑(圖3)。也就是說,根據瑞利準則,以可見光為主的光學顯微鏡所能觀察到的最小物體尺度約為300奈米,這個解析度對於探索奈米材料世界來說是遠遠不足的。

圖3 以木棍長度來量測沙坑為例解釋瑞利準則。以木棍為度量,就像光學影像以光的波長為度量;若兩沙坑距離太短,則難以判斷有多少沙坑在其中,相同地,若是兩物體間的距離小於光的波長,則無法清楚判斷兩者之間的影像|來源:作者提供

 

走進奈米世界的大門——電子顯微鏡
圖4 以電子顯微鏡觀測Covid-19病毒型態|來源:Public Health Image Library

那麼,如果我們能夠使用波長更短的波,是不是就能夠觀測到更微小的物質呢?沒錯!量子力學描述了物質具有波粒二象性,也就是粒子同時也具有波的特性,又稱為物質波,而電子是最早被用來驗證此性質的粒子。就低能電子(約10~100電子伏特)而言,它們的波長大約在10~100奈米左右,可見僅僅使用低能電子就能夠超越光學顯微鏡的極限。如果我們使用更高的電壓來加速電子,就能夠產生波長更短的電子;若是以具有上千電子伏特的電子來進行探測,就能以皮米級(10-10~10-12公尺)的解析度探測奈米(10-9公尺)世界,這樣的儀器便是電子顯微鏡。近年來許多人在許多報導上看見的Covid-19病毒形狀,便是以電子顯微鏡拍攝並經後製處理套色而產生的(圖4)。

 

物質分析好夥伴——掃描式電子顯微鏡

接下來,讓我們介紹一下在探索奈米世界的過程中經常被使用的利器——掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscopy, SEM)。這種儀器具有百萬倍的放大倍率,讓材料科學家能夠更深入地研究奈米材料的特性,洞察微觀世界的變化。SEM的運作原理是通過發射高能電子束並將其聚焦在材料表面上,當這些高能電子撞擊到材料表面時,會將材料表面的電子激發並釋放出來,這些被撞擊出來的電子被稱為「二次電子」。二次電子具有較低的能量和速度,是原始撞擊電子能量轉移的結果。不同的原子核對電子產生的吸引力不同,當在受到相同能量的電子撞擊下,不同元素所產生的二次電子也會具有不同的速度和能量。根據動量守恆定律,那些被具有較強吸引力的原子核束縛的電子在被高能電子撞擊出來時,其速度和能量也較低。這就像以相同的力道踢足球、排球或籃球,這些球的反應也會不同。因此通過收集二次電子的資訊,我們便可以描繪出材料表面的影像。
掃描式電子顯微鏡還常常搭配「能量散射X射線光譜學」 (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX) 一起使用,這種能譜圖能夠幫助我們檢測材料的成分。上一段落我們提到,當高能電子射入材料時,會導致材料中的電子被激發,從基態跳躍至激發態;當這些激發態的電子回到基態時,便會發出光線,而這些光的能量與材料中存在的元素有關(圖5)。由於不同元素的原子結構與能級結構是獨特的,它們各自會產生特定能量的射線,因此透過分析EDX能譜圖,我們可以識別出樣品中存在的元素以及它們的相對比例。對於高品質要求的半導體工業來說,這項工具對於研究人員非常重要,因為它可以檢測材料製程中是否存在汙染,且能分析材料合成的比例是否符合預期。

圖5 左圖為二次電子示意圖;右圖為電子受激發後,從激發態回到基態並發出光線|重繪自:Wikimedia commons

 

結  語

微觀粒子的行為決定了宏觀物理特性的呈現。顯微鏡的發展帶著人們一步一步進入微小的世界,使人們能在微觀世界看得更清楚。越掌握微觀世界的物理現象,也就越知道如何在宏觀世界中創作出更先進的科技。

 


參考文獻

Zhao, J., & Liu, X. (2022). Electron microscopic methods (TEM, SEM and energy dispersal spectroscopy). In Elsevier eBooks.

 

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