物质世界波（物质波看世界第二话）

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03 走进物质波的微观世界

德布罗意的物质波理论为人类提供开启了观察和认识微观世界的智慧钥匙。一切运动的粒子都具有波粒二象性，区别在于它们的质量不同，带电状态的不同，运动速度不同，展现的物质波长不同。而波长又是决定显微镜观测分辨率的关键因素。随着科技的进步，人们发明和建立了不同类型的物质波光源和相关的显微技术。让我们一起伴随这些人类的智慧光源，一起走进物质波的微观世界，一起走向美好的未来!

3.1 电子束光源下的微观世界

冷冻电镜技术

冷冻电镜技术是人类解析完整病毒和关键蛋白的有力武器。2006年加拿大科学家首次解析出了SARS-CoV病毒表面刺突糖蛋白（S蛋白）的三维结构。见图12。

图12 SARS-CoV病毒冷冻电镜图片和三维重构的伪彩结构图^[11]

2018年非洲猪瘟病毒传入我国，导致全国猪肉价格接连攀升。我国科研人员利用冷冻透射电镜（Cryo-TEM）连续4个多月收集高质量数据后，再以单颗粒三维重构技术，成功解析出非洲猪瘟病毒（ASFV）的三维结构。相较直径30nm的甲肝病毒(HAV)、直径50nm的寨卡病毒(ZIKA)、直径50nm的乙型脑炎病毒(JEV)、直径125nm的单纯疱疹病毒(HSV)，直径260nm的非洲猪瘟病毒结构十分巨大且复杂，见图13。

图13 我国科学家解析的非洲猪瘟结构示意图^[12,13]

相信随着科研人员刻苦攻坚，在几个月内就将解析出SARS-CoV-2病毒的精细结构，揭示病毒侵入细胞的关键蛋白结构和作用位点，为开发效果佳、安全性高的疫苗打下坚实科学基础。

最近，半导体产业发展到7 nm制程，并不断向5 nm 和 3 nm制程演进，芯片制造难度也将加大，品质管理也愈趋严格。透射电子显微镜（TEM）以其最高可以到原子级分辨的观察能力，对纳米大小的缺陷如嵌入颗粒、通孔残留物等有效识别，将指出生产工艺中的通性问题，大大提升产品良率。结合聚焦离子束（FIB）准确定位取样和制样的能力，可以对芯片中任何位置进行细致的结构分析。另外，配合TEM能谱配件（EDX, EELS）,可以解析出样品元素分布图。图14是低倍下芯片的截面图。图15为由EELS电子能量损失谱获得的SrTiO₃/LaMnO₃界面原子级元素分布图，绿色为Ti元素，蓝色为Mn元素，紫色为La元素，红色为Sr元素^[14]。

图14 低倍下芯片的截面图，以及EELS获得的元素分布伪彩图^[14]

图15 由EELS电子能量损失谱获得的SrTiO3/LaMnO3界面原子级元素分布伪彩图。绿色为Ti元素，蓝色为Mn元素，紫色为La元素，红色为Sr元素^[14]

球差矫正的透射电子显微镜技术

2016年，通过球差矫正的透射电子显微镜（Cs-corrected TEM），在(SrTiO₃)₁₀/(PbTiO₃)₁₀超晶格结构的原子级分辨照片中观察到非常新颖的螺旋-反螺旋畴^[15]。通过对材料微观结构观测，在自旋、电荷、轨道、晶格等层级发现新奇的相结构和物理现象，将为新型计算机存储、量子计算、能量存储提供新动力。见图16。

图16 2016年 透过球差矫正的透射电子显微镜（Cs-corrected TEM），在(SrTiO₃)₁₀/(PbTiO₃)₁₀超晶格结构的原子级分辨照片中观察到非常新颖的螺旋-反螺旋畴^[15]

锂离子电池的容量不断提高，推动了新能源电动汽车、便携式电子设备在生活中广泛应用。我国锂离子动力电池研究与制造已处于世界先进水平。2011年，通过Cs-corrected TEM在LiFePO₄单晶纳米线中观察到阶梯脱锂现象。见图17：a. 初始LiFePO₄原子结构，b. 完全充满的全脱锂FePO₄原子结构，c. 半充满的半脱锂的Li_0.5FePO₄原子结构[16]。通过直接观察到微观结构的变化，解决了前人提出的各种微观反应机制的争论，让人们了解锂电池中最基本的反应过程，推动锂电池的深入研究。

图17 LiFePO₄单晶纳米线中的阶梯脱锂现象：a. 初始LiFePO₄原子结构，b. 完全充满的全脱锂FePO₄原子结构，c. 半充满的半脱锂的Li_0.5FePO₄原子结构^[16]

扫描电子显微镜（SEM）技术

扫描电子显微镜（SEM）既可以收集二次电子(SE)信号，也可以收集背散射电子（BS）信号。

二次电子是被入射电子轰击出的原子的核外电子，其主要特点是：

(1)能量小于 50 eV ，在固体样品中的平均自由程只有10～100 nm，在这样浅的表层里，入射电子与样品原子只发出有限次数的散射，因此基本上不向侧向扩散；(2)二次电子的产额强烈依赖于入射束与试样表面法线间的夹角，夹角大的面发射的二次电子多。 因此二次电子像主要是反映样品表面10 nm左右的形貌特征，像的衬度是形貌衬度。

背散射电子是由样品反射出来的入射电子，其主要特点是：(1)能量高，从50 eV到接近入射电子的能量，穿透能力比二次电子强得多，可从样品中较深的区域逸出(微米级)，在这样的深度范围，入射电子已有相当宽的侧向扩展，因此在样品中产生的范围大； (2) 被散射电子发射系数η 随原子序数Z的增大而增加，因此背散射电子主要反映样品表面的成分特征，但分辨率较低。

01 二次电子成像术

二次电子(SE)信号可以观测样品表面丰富的微结构和形貌细节。图18 美国CDC公布的SARS-CoV-2病毒SEM照片^[17]。为人们认识和了解这种病毒提供了科学数据。

图18 美国CDC公布的SARS-CoV-2病毒SEM照片伪彩图^[17]

02 背散射电子（BSE）成像技术

背散射电子（BSE）成像相较二次电子（主要是样品表面形貌特征的信号）能更多的表征样品内元素和晶粒取向的差异，图19是同一样品区域的SE二次电子成像与BSE背散射电子成像对比图^[18]。

图19 同一样品区域的SE二次电子成像与BSE背散射电子成像对比图^[18]

3.2 离子束光源下的微观世界

He离子质量小，可直接对未处理的生物样品进行成像，更加准确的还原样品形貌。并且，He、Ne离子显微镜(HIM)较SEM具有更大景深、更高对比度、更高图像质量，在商业化后迅速受到关注。30 kV加速电压下，He 离子的德布罗意波长约为0.08 pm。图20 对相同区域的铜晶粒观察，离子束成像信息更加丰富。

图20 左为离子束成像(FIB)，右为电子束成像（SEM）^[19]

图21 为拍摄锡球表面的金颗粒。左图电子束成像景深小，底层颗粒全部模糊；而右图HIM照片，景深大，全部细节都正确对焦^[20]。

图21 拍摄锡球表面的金颗粒。左图为SEM照片， 右图HIM照片^[20]

图22为经临界点干燥的阿拉伯草的FE-SEM（加速电压小于1kV，分辨率最高）与HIM效果对比图，倍率从左到右从a到c逐级放大。明显对比出HIM大景深、高图像质量^[21]。

图22 干燥的阿拉伯草的FE-SEM与HIM效果对比图，倍率从左到右从a到c逐级放大^[21]

相较于成像方面的应用，镓聚焦离子束（FIB）因其离子序数高，与样品作用力强，对辐照到的样品有剥离作用，因此多用来进行微加工。如样品的三维重构分析、制备透射电镜样品，检查修复集成电路，复杂微纳结构加工等等。

图23 Ga 离子束FIB制备TEM样品过程（提出至最终减薄）^[22]

图24 前端FIB电路编辑，显示了多个连接和切口^[23]

目前商业化的其他类型离子成像加工设备有以Xe、Ar、N、O为离子源的聚焦离子束系统(plasma-FIB)等，他们的切割能力更强，在大面积样品刻蚀、避免Ga离子注入损伤样品等方面具有明显优势。

3.3 中子束光源下的微观世界

中子成像与电子、离子的一个很大不同是中子不带电，中子是通过与原子核或磁矩发生作用进行散射、由于其质量较大与轻元素（H、He、Li）接近，发生碰撞时能量变化显著，通常用来检测轻元素，可与电子束、离子束的检测互补。中子的磁矩使得它能进行物质磁性的研究。中子不带电荷，电磁相互作用弱，使得它的穿透能力强。因此可穿透厚金属板进行内部无损探测。由于以上特性，中子在海关、发动机叶片制造、塑性炸药、储氢材料、锂离子电池、蛋白质精细结构解析、地质、考古等领域都有重要应用。

中子成像类似于X射线，通过特殊的相机收集中子信号，测量散射的中子数量、能量和动量变化，可以在宏观成像、或在原子、分子尺度上研究物质微观结构和运动状态。

中子束光源的超强穿透能力使其可以用来探测非常复杂的装置的内部工作情况，图25为密闭铅罐中的玫瑰花照片，显示中子强大的穿透能力^[24]，图26. 对运转在1000rpm的四冲程发动机进行动态中子成像，曝光时间200ms^[24]。这一技术在海关通关和现代工业生产的无损检测中发挥了重要作用。但正是由于它的超强的穿透能力且又不带荷，使得透镜的制作非常困难，中子成像的显微能力还有待提高。现在人们已经提出采用中子的波动性来产生干涉进行微米到纳米级精度的测量^[25]。

图25 铅罐中的玫瑰花，显示中子强大的穿透能力^[24]

图26 对运转在1000rpm的四冲程发动机进行动态中子成像，曝光时间200ms^[25]

04 展望

物质波的探测技术已经为人类展示出了丰富多彩的微观世界，随着人们对未知微观世界了解的深入，很多谜团都解开了，为促进科技的进步和提升人们生活质量做出了贡献。但同时也发现了广阔的未知领域等待人们去探索。

希望更多的有志青少年加入这一研究领域，从源头上，开发更加先进的可控可调的物质波光源，探索物质波与物质的相互作用机理，发展新的物质波的调控技术、新的物质波的探测技术、新的物质波的成像技术。让我们一起走进物质波的世界，共同探索宇宙的起源和生命的意义！格物致知，宁静致远！

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致谢：在本文的写作过程中，感谢林原教授的建议和意见。

参考文献：

[1] http://www.gov.cn/xinwen/2020-01/25/content_5472065.htm

[2] http://measurebiology.org/wiki/Physical_optics_and_resolution

[3] Williams, David B., Carter, C. Barry. Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science. Springer, 2009

[4] Shorubalko, I.et al. In Helium Ion Microscopy; Hlawacek, G.; Gölzhäuser, A., Eds.; Springer International Publishing, 2016

[5] Kaito, T. in Introduction to Focused Ion Beams: Instrumentation, Theory, Techniques and Practice, Springer, 2005.

[6] https://www.world-nuclear.org/information-library/non-power-nuclear-applications/radioisotopes-research/research-reactors.aspx

[7] https://wenku.baidu.com/view/eebbfc2afbb069dc5022aaea998fcc22bdd143f4.html

[8] Paul, E.U., 1987. Industrial Neutron Radiography In The United States. In: Proceedings of the Second World Conference on Neutron Radiography. Reidel Publishing Company

[9] http://www.ihep.cas.cn

[10] Ul-Hamid, A. (2018). A Beginners' guide to scanning electron microscopy (pp. 6). Switzerland: Springer Nature Switzerland AG

[11] Beniac D. R., et al. Architecture of the SARS coronavirus prefusion spike. Nature structural & molecular biology. 13 (2006)

[12] Wang, N., et al. (2019). Architecture of African swine fever virus and implications for viral assembly. Science 366, 640–644

[13] http://www.ibp.cas.cn/kyjz/zxdt/201910/t20191016_5408830.html

[14] http://www.gatan.com

[15] A.K. Yadav, et al., Observation of polar vortices in oxide superlattices, Nature, 530 (2016) 198.

[16] Gu L, et al. Direct observation of lithium staging in partially delithiated LiFePO4 at atomic resolution. J Am Chem Soc. 2011;133(13):4661

[17] https://phil.cdc.gov/Details.aspx?pid=2871

[18] M.G. Masteghin, M.O. Orlandi, Grain-boundary resistance and nonlinear coefficient correlation for SnO2-based varistors, Mater. Res. 19 (2016) 1286–1291

[19] Kaito, T. in Introduction to Focused Ion Beams: Instrumentation, Theory, Techniques and Practice, Springer, 2005.

[20] https://www.nist.gov/news-events/news/2008/09/nist-studies-how-new-helium-ion-microscope-measure

[21] M.S. Joens, et al., Helium Ion Microscopy (HIM) for the imaging of biological samples at sub-nanometer resolution, Sci. Rep. 3 (2013) 3514

[22] Córdoba, R. Functional Nanostructures Fabricated by Focused Electron/Ion Beam Induced Deposition; Springer: Switzerland, 2014

[23] https://eag.com/zh-TW/resources/whitepapers/focused-ion-beam-fib-circuit-edit-becomes-increasingly-valuable-in-high-stakes-world-of-advanced-node-design/

[24] Ian S. Anderson, et al. Neutron Scattering Applications and Techniques. springer, 2009

[25] http://www.jlck.cn/html/2019-8/164766.html

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