[摘 要] 该文认为，电子显微镜是研究物质微观结构关键技术，因此“电子显微分析”课程是生物，医学，材料，化学和物理等相关研究专业硕博研究生的核心课程之一。由于课程对学生基础理论要求较高，知识点复杂，枯燥不易学，如何让学生掌握该课程内容，成为教学难点。实践表明：将课程中的理论知识与仪器设备操作，以及实际的数据分析相结合，有助于学生对知识点的理解，提高学习的积极性，达到提升教学成果的目的。

[关键词] 电子显微分析;课程教学;理论实践

[作者简介] 沈永龙（1982—），男，工学博士，郑州大学材料与科学工程学院讲师，硕士生导师，主要从事半导体薄膜及器件、材料结构高端表征、材料物理等研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）17-0256-02    [收稿日期] 2019-10-10

一、前言

随着科技的进步，人类对科学研究的不断深入，需要更好地观察物质的微观结构，从放大镜到光学显微镜，直到现在的电子显微镜得到广泛的应用。之所以用到了电子显微分析技术，是由于可见光波长限制了光学显微镜的图像分辨率[1]，如今较好的电子显微镜的图像分辨率可以达到0.1nm以上。电子显微分析技术在材料、化学、生物、物理、医学等研究领域起着至关重要的作用，因此“电子显微分析”课程成为相关研究专业硕博研究生的核心课程之一。希望学生们通过对该课程的学习，可以对以后的科研工作提供一个更好的分析方法和对实验结果的准确分析，从而更好的分析验证实验所得结论。从2018年开始，笔者所在学校材料科学与工程学院结合以往的教学模式，为研究生提供更加近距离的学习高端分析手段的机会，实行理论与操作相互结合，面向全院研究生，开设了2个学分32学时的“电子显微分析”课程。

二、电子显微分析技术的发展与分类

1925年，Louis de Broglie首先提出了电子的波动性理论，并且电子波长远小于可见光波长，这一理论的提出为电子显微分析奠定了理论基础。1927年，Davisson和Germer，Thomson和Reid两个研究组分别独立证实了电子具有波动性，随后1932年Ruska和Knoll首次在论文中提出电子显微镜的概念，并且实现了电子透镜成像的设想，为此在1986年获得诺贝尔物理学奖。第一台商业透射电子显微镜在1936年由英国一家公司生产建造。随着电镜的不断发展，又先后出现了球差电镜和冷冻电镜。对于扫描电镜，德国的Knoll在1935年提出了扫描电镜的工作原理。1942年，Zworykin.Hill制成第一台扫描电子显微镜，但仅在实验室中使用，直到1965年才真正作为商业用途。目前，电子显微镜在追求高分辨率和高质量图像的同时，也在追求多功能化，从而出现了多种复合电镜，如扫描透射电子显微镜等。

电子显微分析从电子束的形式来分，可以分成扫描电子分析和透射电子分析[2]。对于电子显微镜来说，可以分为扫描电子显微镜和透射电子显微镜。其中扫描电子显微镜根据电子枪的不同分为钨灯丝、六硼化镧灯丝和场发射三种，钨灯丝、六硼化镧灯丝都属于热发射[3]，而场发射又分为冷场和热场两种，一般在扫描电镜中使用冷场发射。透射电子显微镜种类很多，包括高压TEM（1MV-3MV）、中间电压TEM（IVEM）（200-400kV）、低压TEM（LVEM）（<100kV）、高分辨率TEM（HRTEM）、扫描TEM（STEM）、分析TEM（AEM）、球差电镜和冷冻电镜等。

三、课程的主要要求、内容及安排

开设本课程的主要要求：了解电子显微分析技术的发展历程及最新进展;了解电子与物质的相互作用;掌握透射电子显微镜和扫描电子显微镜的主要结构和工作原理;了解和掌握不同样品的制备方法;掌握电子衍射分析和衍射谱图的标定;对电子显微分析有初步的了解，掌握不同的电子显微分析技术在材料领域的应用。

课程内容主要分为理论基础、透射电子显微分析（TEM）、扫描透射电子显微分析（STEM）、能谱分析（EDX）和能量损失谱（EELS）等，透射电子显微分析是本课程的重心所在。透射电子分析包括以下四部分：

第一部分简单的介绍透射电子显微镜技术的发展，随后讲解了透射电子显微镜的应用以及选择透射电子显微镜的原因，最后提到对于透射电子显微分析也存在自身的问题，比如高分辨成像的代价就是取样范围很小，单一的TEM图像对深度不敏感，电子束损伤样品，以及样品制备困难等。

第二部分主要讲解理论基础，其中包括电子的散射和衍射及其特点，透射电子显微镜中是如何利用电子散射的，弹性散射是TEM图像衬度的来源，是衍射花样中产生强度分布的主要因素，对于非弹性衍射的研究，通过其它附加仪器，来探测和解析不同信号，就可以更加全面的了解样品。

第三部分对透射电子显微镜的设备进行讲解学习，TEM的主要构成包括电子源、电子枪、透镜、光阑、观察屏、电子探测器、真空泵和样品杆。能满足TEM使用的电子源目前有兩种，一种是热发射电子源（包括W灯丝和LaB6晶体）另一种是场发射电子源，采用的是很细的针状W丝。TEM中透镜的两个基本功能：一是把从物体中一点发出的所有光线在像上会聚到一点;二是把平行光会聚到透镜焦平面上的一点。由于气体对电子的散射很强，同时高真空对于保持样品表面的清洁非常重要所以在测试过程中需要很高的真空条件。

第四部分为电子衍射，分别讲解了晶体学基础、衍射基础、平行束电子衍射花样的标定、菊池线和会聚束衍射分析。本章节主要是为了让学生掌握电子衍射花样的标定以及数据的分析，为以后的科研学习提供帮助。

课程安排：①第一部分安排4个学时进行课堂讲解学习;②第二、三、四部分分别安排8个学时进行课堂学习;③最后4个学时，将带领同学们进入实验室，进行透射电子显微镜的操作学习。

四、結语

在科技发展极其迅速的当今时代，为研究生提供一次学习高端分析手段的机会，会为以后的科研生涯带来诸多益处。通过对本课程的学习，同学们对电子显微分析有了更加深层次的了解和掌握，在最后对仪器的操作学习中不仅是对理论知识的巩固，更是对透射电子显微镜仪器的了解。同时在对“电子显微分析”的教学过程中，让我明白了对于学生来说老师的课堂上理论教学其实更需要与实际操作相结合，让学生学以致用才是作为一名老师最应该传授给学生的。本课程的开设旨在培养具有扎实学科的基础知识，又可以掌握先进的技术及设备全方面发展的应用型人才。

参考文献

[1]蔡浩原.高分辨率表面等离子体显微镜综述[J].中国光学，2014，7（5）：691-700.

[2]田青超，陈家光.材料电子显微分析与应用[J].理化检验：物理分册，2010，（1）：21-25.

[3]陈木子，高伟建，张勇，冯善娥.浅谈扫描电子显微镜的结构及维护[J].分析仪器，2013，（4）：91-93.

Abstract：Electron microscopy is the critical technique for studying the microstructure of matter.Therefore，Electron Micro-analysis is one of the core courses of postgraduate students in biology，medicine，materials，chemistry and physics，etc.Because the curriculum has higher requirements on students' background knowledge，the features of which are complicated，boring and difficult to learn.How to make students understand the content of the course becomes a difficult teaching point.Practice shows that through combining the theoretical knowledge in the course with the operation of instruments，as well as the actual data analysis，our course can help students to understand the knowledge points better，improve the enthusiasm of learning，and achieve the purpose of improving teaching results.

Key words：electron micro-analysis;course teaching;theoretical practice