【深造物理】電子顯微鏡能看到光也看不到的東西

平日我們用手機鏡頭、光學顯微鏡看世界，已覺得清晰。但當設計晶片電路、研發新藥、檢驗材料瑕疵時，尺度會小到奈米(nm)甚至原子等級。這時候光已經「力不從心」。電子顯微鏡(Electron Microscope, EM)就是科學與工程界用來突破「看不見」這道牆的利器。它不是把光變強，而是改用電子當成「照明」，配合磁場鏡頭去聚焦，於是解析度可以達到亞奈米，甚至直接看見原子排列。本文用貼地的方式，帶你由淺入深了解電子顯微鏡的工作原理、主要種類、影像對比從何而來、樣品怎樣準備、以及近年最前沿的發展。

為何改用電子？光學極限與電子的波長

光學顯微鏡受限於繞射極限(diffraction limit)。簡化來說，最小可分辨距離約為 d ≈ 0.61×λ/NA，λ是光的波長，NA是鏡頭的數值孔徑。可見光的λ約400–700 nm，即使用上最好的油鏡，典型解析度也在約200 nm左右。奈米級結構、原子級間距(幾十到幾百皮米，pm)就超出範圍了。

量子力學告訴我們，電子同時有粒子與波的性質，具有德布羅意波長(de Broglie wavelength)。把電子加速到高電壓V後，電子動量變大、波長變短。非相對論近似下，電子波長大約是 λ ≈ 12.27/√V 的皮米(pm)，V以伏特(V)計。例子：

• 10 kV：λ ≈ 12.3 pm
• 100 kV：λ ≈ 3.7 pm
• 200–300 kV：λ約2.0–2.5 pm (考慮相對論修正後)

把這麼短的波長放入類似 d ≈ 0.61×λ/α 的關係(α是電子束的會聚半角)，理論上解析度可到亞奈米甚至皮米等級。這就是電子顯微鏡能「看見原子」的物理基礎。

電子顯微鏡的基本構造：用磁場來「折射」電子

電子顯微鏡的鏡筒內是一個高真空(vacuum)的「電子光學系統」。它的核心元件與光學顯微鏡相似但物理不同：我們用磁場與電場來控制電子束，讓電子像光線一樣被「聚焦」。主要組件包括：

• 電子槍(Electron gun)：產生電子。常見類型有熱發射(thermionic, 例如W或LaB6)與場發射(FEG/Schottky field emission)，後者亮度高、能量展寬小，更利於高解析與分析。
• 聚光鏡與物鏡(Condenser & Objective lenses)：以電磁透鏡(electromagnetic lenses)調控束斑大小與會聚角，將電子束聚焦於樣品或成像平面。
• 光闌(Apertures)：限制電子束角度，降低像差，但也會犧牲訊號與亮度，需權衡。
• 掃描線圈(Scan coils)：在掃描式儀器中，以電磁場讓電子束逐點掃過樣品表面或穿透點，形成點對點的影像。
• 樣品台(Stage)：可精密移動、旋轉與傾斜，並支援加熱、制冷或通電等原位(in situ)操作。
• 偵測器(Detectors)：依據不同信號(二次電子、背向散射電子、X光、能量損失等)收集對應資訊。
• 真空系統(Vacuum system)：常見有渦輪分子幫浦(turbomolecular pump)、離子幫浦(ion pump)，用以降低氣體分子，避免電子在空氣中被散射。

SEM、TEM 與 STEM：三種看法，互補搭配

電子顯微鏡主要有三大「觀影方式」：掃描式(SEM)、穿透式(TEM)與掃描穿透式(STEM)。它們的光路與可見到的訊息差異很大：

類型	影像形成	典型電壓	最佳賣點	常見偵測器 / 訊號
SEM (Scanning Electron Microscope)	電子束掃描表面，收集表面逸出的二次電子(SE)或背向散射(BSE)	1–30 kV (近年低電壓更普遍)	表面形貌、超大景深、微米至奈米解析	SE、BSE、EDS(元素分析)、EBSD(晶體取向)
TEM (Transmission Electron Microscope)	高能電子穿透超薄樣品，於下方成像	80–300 kV	高解析(可原子級)、繞射(Diffraction)、相位對比	明場/暗場影像、SAED(選區電子繞射)、EELS、EDS
STEM (Scanning TEM)	聚焦探針逐點穿透，逐點收集訊號	80–300 kV	Z-對比(HAADF)、原子柱成像、同位點光譜	HAADF、BF/DF探測器、EELS、EDS

SEM擅長表面地形，景深大，像拍微型大澳棚屋的鳥瞰圖；TEM/STEM則像把光穿透牛油紙般透視結構，甚至看見原子排隊，並能做化學與能量分析。

電子與物質互動：對比從哪裡來？

電子射入樣品會發生各種散射與能量損失，這些互動產生了可量度的訊號：

• 彈性散射(Elastic scattering)：方向改變但能量幾乎不變，是繞射(diffracted)與晶體成像的基礎。
• 非彈性散射(Inelastic scattering)：電子失去部分能量，激發出二次電子(SE)、特徵X光(X-ray, 用於EDS)或產生能量損失譜(EELS)。
• 二次電子(Secondary electrons, SE)：很淺層(幾奈米)逸出，對表面形貌最敏感，是SEM常用的「立體感」來源。
• 背向散射電子(Backscattered electrons, BSE)：由較深處反彈出來，對原子序(Z)敏感，重元素區域更亮。
• 特徵X光與EDS(Energy-dispersive X-ray Spectroscopy)：元素分析「指紋」，可畫成元素分佈圖(mapping)。
• EELS(Electron Energy-Loss Spectroscopy)：量度電子能量損失，揭示元素、價態、化學鍵與局部結構，解析更精細。

在TEM中，明場(BF)與暗場(DF)影像由繞射選擇產生，HRTEM(高解析TEM)則利用相位對比(phase contrast)在恆定離焦下把晶格間距顯像。STEM的HAADF(環形高角暗場)以大角度散射為主，訊號接近原子序的Z^1.7~Z^2比例，形成「Z-對比」，非常適合直接看原子柱與雜質原子。

解析度的真正挑戰：像差、能量展寬與噪聲

理論上電子波長很短，但實際解析度還受限於透鏡像差(aberrations)、電子能量展寬、機械漂移與噪聲等。

• 球差(Spherical aberration, Cs)：電磁透鏡對大角度電子的聚焦能力不同，造成邊緣模糊。傳統上用更小光闌減少角度，卻會犧牲亮度與訊號。
• 色差(Chromatic aberration, Cc)：電子能量分佈(ΔE)越寬，焦點越分散。場發射槍與單色器(monochromator)可縮小ΔE，提升對比與分辨。
• 像散(Astigmatism)：水平與垂直方向焦距不同，需用校正線圈(stigmator)調整。
• 結構漂移與振動：奈米尺度上，台座熱漂、環境震動、電源雜訊都會變成模糊。高階儀器使用主動隔振、恆溫室與電磁屏蔽。

現代TEM/STEM裝上像差校正器(aberration corrector, 多極磁場組合)後，可將Cs有效補償，令解析度達到亞埃(Å)甚至更好。配合直接電子偵測器(Direct Electron Detector)與演算法去噪，能以更低劑量取得高對比影像，這對生物樣品尤其關鍵。

樣品製備：決定你能「看見什麼」

電子顯微鏡不是把任何東西一放就能看。樣品準備往往決定影像品質與可達解析。

• SEM樣品：非導電材料(如塑膠、生物組織)常需鍍一層極薄金/鉑/碳，避免充電(charging)造成亮暗閃爍與拉絲。低加速電壓與環境式SEM(ESEM)也可減輕充電問題。
• TEM樣品：必須超薄(數十到百來奈米以內，依材料與電壓而定)，讓電子可穿透。製備方法包括超薄切片(ultramicrotomy)、離子研磨(ion milling)與聚焦離子束(FIB)切割，後者常用於半導體橫截面與特定缺陷定位。
• 生物樣品：化學固定(fixation)、脫水與重金屬染色(如醋酸鈾)是傳統TEM流程；冷凍電鏡(cryo-EM)則將樣品快速玻璃化(vitrification)，在液氮溫度維持近原生態，避開染色與脫水造成的形變。
• 污染與碳沉積：束下有機殘留會被分解沉積成碳，造成影像變黑、細節被遮。清潔、低劑量(low-dose)與良好真空是關鍵。

SEM的看家本領：表面地形、材料對比與取向分析

SEM以點掃描方式量度表層逸出的二次電子(SE)與背向散射電子(BSE)。其優勢包括：

• 超大景深：像把整座迷你山谷一次看清楚，適合觀察微結構的三維地形。
• 低電壓成像：1–5 kV可降低束穿透深度，提升表面敏感度，減少充電與束傷。
• 材料對比：BSE對原子序敏感，能看出複合材料或合金中重、輕元素分佈差異。
• EBSD(Electron Backscatter Diffraction)：透過衍射花樣反推晶粒取向與應變，對金屬、陶瓷工業至關重要。
• EDS：做元素定性/半定量分析，快速檢查污染或配方。

TEM/HRTEM/STEM：原子級影像與光譜「同位點」分析

TEM可取得明場/暗場影像與選區電子繞射(SAED)，用以判定晶體結構、缺陷(位錯、雙晶)與相變。HRTEM在適當離焦下，利用相位對比顯示晶格條紋，但影像與結構之間需配合像傳遞函數(CTF)與模擬來解讀。

STEM把電子束縮成皮米級探針逐點掃描，並同時收集多種訊號：

• HAADF Z-對比：原子序越高越亮，可直接看見異質結構界面與摻雜原子。
• EDS/EELS 同位點(same-pixel)分析：在原子柱等級做元素/價態分佈，揭露催化點、電池正極材料的氧紅氧變化等。
• 4D-STEM與ptychography(織影術)：記錄每一點的完整繞射圖樣，再由演算法重建相位與電位分佈，突破傳統像差限制，提升解析與厚度容忍度。

繞射、傅立葉與影像解讀

晶體會把入射電子束繞射到離散方向，形成倒易空間(reciprocal space)中的斑點。透過選區繞射，可判斷晶向、晶格常數與有無相變。HRTEM影像其實是樣品電位的「經透鏡與離焦調制後的傅立葉投影」，因此需要用CTF與像模擬來避免誤讀。STEM的探針工程與收集角度設定，則決定你是在看相位對比還是Z-對比。

束傷、充電與劑量：小心別把樣品「看壞了」

電子會對敏感材料造成損傷：

• 敲擊位移(Knock-on)：把原子從晶格位置撞出，常見於石墨烯、二維材料。
• 輻解(Radiolysis)：分解有機分子或聚合物，生物與高分子最怕。
• 加熱與充電：局部升溫或電荷堆積導致結構變形、影像漂移與對比異常。

對策包括：低電壓、低劑量成像、冷凍(cryo)條件、導電鍍層、在ESEM中引入少量氣體中和電荷，以及後端影像去噪與多張疊加(alignment/averaging)。

與光學顯微鏡怎樣互補？

• 光學顯微鏡：視野大、速度快、活體觀察容易；解析度~200 nm。
• 電子顯微鏡：解析度高出數百至數萬倍；但樣品環境受限(真空、導電、厚度)，操作與解讀較複雜。

因此實驗室常「先光後電」：用光學定位感興趣區域，再用SEM/TEM做細看與元素/能量分析。

真空與設備：為何要這麼「乾淨」的環境？

電子在空氣中很容易散射，影像會糊；水氣與油氣還會在束下分解，造成污染。故EM需要高真空(SEM的鏡筒通常10^-4–10^-6 mbar；TEM更高)。有些環境式裝置(ESEM/ETEM)則在受控氣壓下工作，研究催化反應、電化學或材料在氣氛中的變化。

近代發展：從冷凍電鏡到原位與超快

• 冷凍電子顯微鏡(Cryo-EM)：配合直接電子偵測器與演算法(單粒子重建)，蛋白質等巨大複合體可在近原生態下達到近原子解析，2017年因此獲諾貝爾化學獎。
• 像差校正與單色化：Cs-corrector與monochromator讓HRTEM/STEM跨入亞埃常態，觀測點缺陷、界面與電荷序。
• 4D-STEM/ptychography：用計算成像提升解析、靈敏度與厚度容忍度，並量測電場、應變與極化。
• 原位(in situ)與操作學(in operando)：在顯微鏡內加熱、拉伸、通電、充放電或注入氣體/液體，直接看催化、電池、相變與裂紋的動態。
• 超快TEM(Ultrafast TEM)：用飛秒脈衝看原子動態，串連時間與空間的極限。

實務選擇：什麼問題用哪一台？

• 想看表面粗糙度、微結構3D感、快速品質檢查：SEM。
• 要看到晶格、位錯、相界，或需要穿透觀察：TEM/HRTEM。
• 要原子級成像並同位點做元素與價態分析：STEM + HAADF + EDS/EELS。
• 生物大分子、軟材料的接近原生態結構：Cryo-EM。

安全與迷思

• 電子不是放射性物質，儀器外殼有屏蔽；不過電子撞擊材料會產生X光，機器依規範設計以確保外逸量極低。
• 樣品多需在真空中，含水或揮發性樣品會脫水或外逸；ESEM與冷凍技術可部分解決。
• 影像不是「照片」那麼簡單：對比機制複雜，需配合物理模型與模擬才能避免誤判。

一個貼地的比喻

把電子顯微鏡想像成一個由磁鐵、線圈與真空管組成的「城市」，電子像超高速的電車。透鏡與光闌就是道路與路障，控制電車如何會聚到一個極小極亮的點；偵測器像是城市不同區的交通感測器，從不同的「回應」重建整個城市的地圖。你想知道地形，就看二次電子；想知道居民是誰(元素)，就量X光或EELS；想看磚頭怎麼排(晶格)，就用繞射與相位對比。

結語：把看不見，變成可測量

電子顯微鏡的背後，是量子力學、電磁學與訊號處理的結晶。從香港的半導體封裝、先進材料、到生命科學與藥物設計，它都在第一線把「看不見」變成「可測量」。理解它的原理，不只讓我們欣賞那些令人驚嘆的原子級影像，也能更精準地設計實驗、解讀數據、並推動技術創新。當我們能清楚看見奈米世界的細節，工程與科學的可能性，就像被推開了一扇新的門。