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電子顯微鏡

凝聚態(tài)研究者的眼睛電子顯微鏡（electronmicroscope），簡稱電鏡，是使用電子來展示物件的內(nèi)部或表面的顯微鏡。高速的電子的波長比可見光的波長短，而顯微鏡的分辨率受其使用的波長的限制，因此電子顯微鏡的分辨率（約0.1納米）遠高于光學顯微鏡的分辨率（約200納米）。掃描電子顯微鏡

（scanningelectronmicroscope，SEM）

觀察標本的表面結構。其工作原理是用一束極細的電子束掃描樣品，在樣品表面激發(fā)出次級電子，次級電子的多少與電子束入射角有關，也就是說與樣品的表面結構有關，次級電子由探測體收集，并在那里被閃爍器轉變?yōu)楣庑盘?，再?jīng)光電倍增管和放大器轉變?yōu)殡娦盘杹砜刂茻晒馄辽想娮邮膹姸?，顯示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象，反映了標本的表面結構。對于本身不導電的樣品為了使標本表面發(fā)射出次級電子，標本在固定、脫水后，要噴涂上一層重金屬微粒，重金屬在電子束的轟擊下發(fā)出次級電子信號目前掃描電鏡的分辨力為6~10nm，人眼能夠區(qū)別熒光屏上兩個相距0.2mm的光點，則掃描電鏡的最大有效放大倍率為0.2mm/10nm=20000X。猜猜看這是你身體上的哪個部位？

掃描隧道顯微鏡

（ScanningTunnelingMicro－scope，STM）1982年，IBM瑞士蘇黎士實驗室的葛·賓尼（G.Binning）和海·羅雷爾（H．Rohrer）研制出世界上第一臺STM使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關的物化性質(zhì)，在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著重大的意義和廣泛的應用前景，被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一.為表彰STM的發(fā)明者們對科學研究所作出的杰出貢獻，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學獎金．STM獨特的優(yōu)點：

1.具有原子級的高分辨率，STM在平行于樣品表面方向上的分辨率分別可達0.01nm，即可以分辨出單個原子。

2．可實時得到實空間中的樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結構的研究，這種可實時觀察的性能可用于表面擴散等動態(tài)過程的研究。

3．可以觀察單個原子層的局部表面結構，而不是對體相或整個表面的平均性質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重構、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構等。5．配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關表面電子結構的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度。表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結構等。

4．可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液中不需要特別的制樣技術并且探測過程對樣品無損傷．這些特點特別適用于研究生物樣品和在不同實驗條件下對樣品表面的評價。

6．利用STM針尖，可實現(xiàn)對原子和分子的移動和操縱，這為納米科技的全面發(fā)展奠定了基礎。

STM觀察到的原子的景象1990年，IBM公司的科學家展示了一項令世人瞠目結舌的成果，他們在金屬鎳表面用35個惰性氣體氙原子組成“IBM”三個英文字母。

這是中國科學院化學所的科技人員利用納米加工技術在石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國地圖。

由德國實驗室托斯頓·鄧卓巴拍攝的這一圖像顯示了一片GeSi量子點“森林”，其實，它們只有15納米高，直徑也只有70納米。量子圍欄STM的局限性與發(fā)展

它對樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準確探測，與此相關的分辨率較差。掃描隧道顯微鏡(STM)所觀察的樣品必須具有一定程度的導電性，對于半導體，觀測的效果就差于導體；對于絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導電層，則由于導電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖象對真實表面的分辨率。

透射電子顯微鏡

（TransmissionElectronMicroscopyTEM）

把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射電子顯微鏡的分辨率為0.1～0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬～百萬倍，用于觀察超微結構，即小于0.2μm、光學顯微鏡下無法看清的結構，又稱“亞顯微結構”。利用TEM可以直接獲得一個樣本的投影。在這種顯微鏡中電子穿過樣本，因此樣本必須非常薄。組成樣本的原子的原子量、加速電子的電壓和所希望獲得的分辨率決定樣本的厚度。樣本的厚度可以從數(shù)納米到數(shù)微米不等。原子量越高、電壓越低，樣本就必須越薄。葡萄球菌表面激光掃描共聚焦顯微鏡

(laserscanningconfocalmicroscopeLSCM)

激光掃描共聚焦顯微鏡是采用激光作為光源，在傳統(tǒng)光學顯微鏡基礎上采用共軛聚焦原理和裝置，并利用計算機對所觀察的對象進行數(shù)字圖象處理的一套觀察、分析和輸出系統(tǒng)。主要系統(tǒng)包括激光光源、自動顯微鏡、掃描模塊（包括共聚焦光路通道和針孔、掃描鏡、檢測器）、數(shù)字信號處理器、計算機以及圖象輸出設備（顯示器、彩色打印機）等。。與傳統(tǒng)光學顯微鏡相比，它具有更高的分辨率，實現(xiàn)多重熒光的同時觀察并可形成清晰的三維圖象無需破壞樣品。另外，獲得的圖像信息通過相關軟件的幫助，可對標本各深度層面的信息進行三維重建，可以得到表面及內(nèi)部結構都非常清晰的三維圖像。因此，在生物學、醫(yī)學、高分子材料、生物化學、膠體化學（如研究膠體分散相中乳膠顆粒的分布、排列、熱運動及器壁效應等）等眾多研究領域，激光共聚焦技術都有著廣泛的應用。作為光學觀察方法，因此其分辨率較電鏡為低，約0.2μm。即有效放大倍數(shù)約為1000倍這張彩色圖片顯示的是人類肺部內(nèi)表面。圖中的洞穴是肺氣泡，這里是血液交換氣體的地方。肺癌細胞：這張異常的肺癌細胞圖與左邊的健康肺部圖片形成鮮明對比。帶有冠細胞的人類卵子

這張彩色圖片上的紫色人類卵子坐落在一個柱狀物上。兩個紅色冠細胞粘貼在透明帶狀物上。電

卵子表面的精子：生命循環(huán)從此開始：這張圖片上顯示的是大量精子正在爭先恐后地給卵子受精。人類胚胎和精子

這張色彩艷麗的美麗圖片，是利用共聚焦顯微鏡拍攝的。胚胎和精細胞核呈紫色，而精子的尾巴是綠色。藍色區(qū)域是縫隙連接(gapjunction)，它們把細胞彼此聯(lián)系在一起。培育6天后的人類胚胎被植入子宮：生命循環(huán)從此開始：6天的人類胚胎開始被植入子宮內(nèi)膜——子宮的內(nèi)表面。結構與物性石墨和金剛石都是碳單質(zhì)不同的是原子排布方式不同，即結構不同金剛石是目前最硬的物質(zhì)，而石墨卻是最軟的物質(zhì)之一石墨在5-6萬大氣壓（（5-6）×103MPa）及攝氏1000至2000度高溫下，再用金屬鐵、鈷、鎳等做催化劑，可使石墨轉變成金剛石。目前世界上已有十幾個國家（包括我國）均合成出了金剛石。但這種金剛石因為顆粒很細，主要用途是做磨料，用于切削和地質(zhì)、石油的鉆井用的鉆頭發(fā)光與顯示發(fā)光種類極光熒光磷光熒光棒陰極射線管顯示器液晶顯示器等離子體顯示器發(fā)光核聚變輻射（太陽）電阻絲電熱發(fā)光（白熾燈）氣體放電（熒光燈管）熒光體激發(fā)（顯示器）電子空穴復合發(fā)光（發(fā)光二極管）燃燒、化學反應發(fā)光（熒光棒）受激發(fā)光（激光）陰極射線管顯示器

陰極射線管（CRT）是德國物理學家布勞恩（KariFerdinandBraun）發(fā)明的，1897年被用于一臺示波器中首次與世人見面。但CRT得到廣泛應用則是在電視機出現(xiàn)以后。

陰極射線管（Cathoderaytube）因為最廣為人知的用途是用于構造顯示系統(tǒng)，所以俗稱顯像管，它是利用陰極電子槍發(fā)射電子，在陽極高壓的作用下，射向螢光屏，使螢光粉發(fā)光，同時電子束在偏轉磁場的作用下，作上下左右的移動來達到掃描的目的。早期的CRT技術僅能顯示光線的強弱，展現(xiàn)黑白畫面。而彩色CRT具有紅、綠色和藍色三支電子槍，三支電子槍同時發(fā)射電子打在屏幕玻璃上磷化物上來顯示顏色。失真笨重、耗電，所以在部分領域正在被輕巧、省電的液晶顯示器取代彩色陰極射線管的剖面圖:1.

電子槍2.

電子束3.

聚焦線圈4.

偏向線圈5.

陽極接點6.

電子束遮罩區(qū)隔顏色區(qū)域7.

螢光幕分別有紅綠藍螢光劑分區(qū)涂布8.

彩色螢光幕內(nèi)側的放大圖液晶顯示器液晶（LiquidCrystal，簡稱LC）是一種高分子材料，因為其特殊的物理、化學、光學特性，20世紀中葉開始被廣泛應用在輕薄型的顯示技術上在正常情況下，其分子排列很有秩序，顯得清澈透明，一旦加上直流電場后，分子的排列被打亂，一部分液晶變得不透明，顏色加深，因而能顯示數(shù)字和圖象。液晶顯示器，LCD(LiquidCrystalDisplay)，為平面超薄的顯示設備，它由一定數(shù)量的彩色或黑白畫素組成，放置于光源或者反射面前方彩色LCD中，每個畫素分成三個單元，或稱子畫素，附加的濾光片分別標記紅色，綠色和藍色。三個子畫素可獨立進行控制，對應的畫素便產(chǎn)生了成千上萬甚至上百萬種顏色與老式的CRT采用同樣的方法顯示顏色。液晶屏幕的優(yōu)點

1.液晶顯示器與傳統(tǒng)CRT相比最大的優(yōu)點還是在于耗電量和體積，對于傳統(tǒng)17寸CRT來講，其功耗幾乎都在80W以上，而17寸液晶的功耗大多數(shù)都再40W上下，這樣算下來，液晶在節(jié)能方面可謂優(yōu)勢明顯。

2.與傳統(tǒng)CRT相比液晶在環(huán)保方面也表現(xiàn)的表現(xiàn)，這是因為液晶顯示器內(nèi)部不存在象CRT那樣的高壓元器件，所以其不至于出現(xiàn)由于高壓導致的x射線超標的情況，所以其輻射指標普遍比CRT要低一些。

3.由于CRT顯示器是靠偏轉線圈產(chǎn)生的電磁場來控制電子束的，而由于電子束在屏幕上又不可能絕對定位，所以CRT顯示器往往會存在不同程度的幾何失真，線性失真情況。而液晶顯示器由于其原理問題不會出現(xiàn)任何的幾何失真，線性失真，這也是一大優(yōu)點。等離子體顯示器

等離子體又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它廣泛存在於宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導電體

等離子體顯示器又稱電漿顯示器，是繼CRT(陰極射線管）、LCD（液晶顯示器）后的最新一代顯示器，其特點是厚度極薄，分辨率佳?？梢援敿抑械谋趻祀娨暿褂?，占用極少的空間，代表了未來顯示器的發(fā)展趨勢基本原理：顯示屏上排列有上千個密封的小低壓氣體室（一般都是氙氣和氖氣的混合物），電流激發(fā)氣體，使其發(fā)出肉眼看不見的紫外光，這種紫外光碰擊后面玻璃上的紅、綠、藍三色熒光體，它們再發(fā)出我們在顯示器上所看到的可見光。超大尺寸的平面顯示器（50英寸甚至更大）分辨率更高圖像的色彩更亮麗，更鮮艷

等離子體顯示的特點其工作原理類似普通日光燈和電視彩色圖像，由各個獨立的熒光粉像素發(fā)光組合而成，因此圖像鮮艷、明亮、干凈而清晰。另外，等離子體顯示設備最突出的特點是可做到超薄，可輕易做到40英寸以上的完全平面大屏幕，而厚度不到100毫米，實際上這也是它的一個弱點：即不能做得較小。目前成品最小只有42英寸，只能面向大屏幕需求的用戶，和家庭影院等方面等離子體顯示器具有體積小、重量輕、無X射線輻射的特點，由于各個發(fā)光單元的結構完全相同，因此不會出現(xiàn)CRT顯像管常見的圖像幾何畸變。等離子體顯示器屏幕亮度非常均勻，沒有亮區(qū)和暗區(qū)，不像顯像管的亮度——屏幕中心比四周亮度要高一些，而且，等離子體顯示器不會受磁場的影響，具有更好的環(huán)境適應能力。與LCD液晶顯示器相比，等離子體顯示器有亮度高、色彩還原性好、灰度豐富、對快速變化的畫面響應速度快等優(yōu)點。由于屏幕亮度很高,因此可以在明亮的環(huán)境下使用。另外，等離子體顯示器視野開闊，視角寬廣（高達160度），能提供格外亮麗、均勻平滑的畫面和前所未有的更大觀賞角度。當然，由于等離子體顯示器的結構特殊也帶來一些弱點。比如由于等離子體顯示是平面設計，其顯示屏上的玻璃極薄，所以它的表面不能承受太大或太小的大氣壓力，更不能承受意外的重壓。等離子體顯示器的每一個像素都是獨立地自行發(fā)光，相比顯示器使用的電子槍而言，耗電量自然大增。一般等離子體顯示器的耗電量高于300瓦，是不折不扣的耗電大戶。由于發(fā)熱量大，所以等離子體顯示器背板上裝有多組風扇用于散熱。極光在地球南北兩極附近地區(qū)的高空，夜間常會出現(xiàn)燦爛美麗的光輝。它輕盈地飄蕩，同時忽暗忽明，發(fā)出紅的、藍的、綠的、紫的光芒。這種壯麗動人的景象就叫做極光這美麗的極光景色是太陽與大氣層合作表演出來的作品。太陽風是太陽噴射出的帶電粒子，是一束可以覆蓋地球的強大的帶電亞原子顆粒流。太陽風在地球上空環(huán)繞地球流動，以大約每秒400公里的速度撞擊地球磁場。大氣受到太陽風的轟擊后會發(fā)出光芒，形成極光。極光通常在高緯度的地區(qū)出現(xiàn)，它們與太陽風引致的地磁活動有關。當來自太陽的帶電荷粒子（主要是電子）與地球大氣層的空氣粒子碰撞，生成不同顏色的光，這便是極光。極光的形狀取決于帶電荷粒子的移動方向及磁場的變化，而極光的顏色則視乎大氣層的空氣粒子狀況