电子维氏硬度计 要使用「奈米微小製造技术」来製作我们所需要的结构，步便是先要能够「看到原子」，目前人类还无法用肉眼直接看到原子，因此都是使用间接的方式，利用仪器的辅助来观察原子，这种仪器称为「电子维氏硬度计(EM：Electron Microscopy)」，电子维氏硬度计依照原理的不同又可以分为数种： 扫描式电子维氏硬度计(SEM：Scanning Electron Microscopy) 使用钨丝来发射电子束(热游离)，当电子束照射到物体表面时，就如同光束照射到物体表面，当物体表面凸出时反射电子束较多，故侦测器侦测到较强的讯号(比较亮)，如图4-54(a)所示；当物体表面凹下时反射电子束较少，故侦测器侦测到较弱的讯号(比较暗)，如图4-54(b)所示，同学们一定有这样的经验，地上的凹洞比较暗，就是因为太阳光照射到凹洞内反射的光比较少的缘故。将这些强弱的讯号画成二度空间的灰阶图形，就可以得到如图4-54(c)所示的扫描式电子维氏硬度计(SEM)照片(本书前面所有的灰阶照片均为扫描式电子维氏硬度计照片)，扫描式电子维氏硬度计(SEM)的解析度很高，可以用来观察大约100nm(奈米)的结构，但是只能观察物体表面的高低起伏，所以表面平整的物体无法使用。 场发射扫描式电子维氏硬度计(FEGSEM：Field Emission Gun Scanning Electron Microscopy) 使用六硼化镧(LaB6)或奈米碳管(CNT)製作成针尖小于100nm(奈米)的奈米尖端来发射电子束(场发射)，奈米尖端可以使电子束的直径缩小到10nm(奈米)左右，请参考图1-6(b)所示，其原理与扫描式电子维氏硬度计(SEM)相同，如图4-54(d)所示为场发射扫描式电子维氏硬度计(FEGSEM)照片，场发射扫描式电子维氏硬度计(FESEM)的解析度更高，可以用来观察大约10nm(奈米)的结构，但是只能观察物体表面的高低起伏，所以表面平整的物体无法使用。 穿透式电子维氏硬度计(TEM：Transmission Electron Microscopy) 使用钨丝来发射电子束(热游离)，当电子束穿透物体时，电子受到物体原子排列的影响而散射，后投影在投影银幕上，如图4-55(a)所示，我们可以由电子束在投影银幕上的二维投影图，反过来推算物体原子的三维结构与结晶情形。使用穿透式电子维氏硬度计必须让电子束可以「穿透」试片，因此在观察之前必须先将试片加工研磨成小于200nm(奈米)的厚度才行，如何将试片研磨到这麽薄又不破坏物体原有的结构是非常困难的事，将电子束在投影银幕上的二维投影图送入电子束侦测器，就可以得到如图4-55(b)所示的穿透式电子维氏硬度计(TEM)照片，穿透式电子维氏硬度计(TEM)的解析度很高，可以用来观察大约10nm(奈米)的结构，而且可以分辨不同材料组成的平面物体，也可以观察物体的横截面。 高解析度穿透式电子维氏硬度计(HRTEM：High Resolution Transmission Electron Microscopy) 使用六硼化镧(LaB6)或奈米碳管(CNT)製作成针尖小于100nm(奈米)的奈米尖端来发射电子束(场发射)，奈米尖端可以使电子束的直径缩小到10nm(奈米)左右，请参考图1-6(b)所示，而它的成像原理与传统的穿透式电子维氏硬度计(TEM)略有不同，在此不再详细讨论，如图4-55(c)所示为高解析度穿透式电子维氏硬度计(HRTEM)照片，高解析度穿透式电子维氏硬度计(HRTEM)的解析度是目前所有电子维氏硬度计中高的，可以用来观察大约1nm(奈米)的结构，因此可以看到「虚拟」的原子影像，如图4-55(c)中的颗粒状影像，为什麽是「虚拟」而不是真实的原子影像呢？别忘记，这些影像其实只是电子受到物体原子排列的影响而散射，后投影在投影银幕上的二维投影图而已，还必须反过来推算，才能得到物体原子真正的三维结构与结晶情形，目前已经有这种反向推算的技术，但是推算完成后也只能得到电脑绘出的三维原子排列图形(电脑绘图)，已经不算是真正的「照片」了。 扫描穿遂维氏硬度计(STM：Scanning Tunneling Microscopy) 使用硅晶圆或奈米碳管(CNT)製作成针尖小于100nm(奈米)的奈米尖端，当奈米尖端由「金属固体」表面扫过时，尖端接触「金属」表面会导电，利用导电的大小来控尖端随物体表面高低起伏而上下移动，如图4-56(a)所示，可以量测「金属固体」(良导体)表面。将尖端上下移动情形记录下来，并且利用电脑模拟物体表面三维高低起伏而绘出相对应的三维图形。扫描穿遂维氏硬度计(STM)的解析度与奈米尖端的尺寸有关，可以用来观察大约1nm(奈米)的结构，因此可以看到由电脑模拟的原子影像。 原子力维氏硬度计(AFM：Atomic Force Microscopy) 使用硅晶圆或奈米碳管(CNT)製作成针尖小于100nm(奈米)的奈米尖端，当奈米尖端由「任何固体」表面扫过时，尖端接触「任何固体」表面都会产生作用力(称为「凡得瓦力」)，利用作用力的大小来控尖端随物体表面高低起伏而上下移动，如图4-56(a)所示，可以量测「任何固体」(良导体、半导体、非导体)表面。将尖端上下移动情形记录下来，并且利用电脑模拟物体表面三维高低起伏而绘出相对应的三维图形，如图4-56(b)与(c)所示。原子力维氏硬度计(AFM)的解析度与奈米尖端的尺寸有关，可以用来观察大约1nm(奈米)的结构，因此可以看到由电脑模拟的原子影像。