X光顯微鏡揭開微觀世界的神秘面紗

X光與X光影像

談到X光影像，就不能不想到第一個發現X光的德國科學家，倫琴(Wilhelm Conrad Rӧntgen)與他的夫人安娜(Anna Bertha)以及手上那顆顯眼的金戒指，如圖一。在1985年，倫琴在研究真空管的高壓放電效應實驗中，意外的發現一種肉眼不可見的射線，具有高穿透性，可穿越物質，甚至人體，他將此射線以表示未知數的X來命名。而倫琴也在1901年獲得了諾貝爾物理學獎，因為該發現不僅成功的開拓了新穎醫學診斷方法，更開啟了X射線相關研究的大時代，對近代科學發展有極重要的貢獻。

圖一  安娜夫人左手的X光影像。出自參考文獻[1]。

X射線，作為光的一種形式，具有獨特的波粒二相性，與常見的光波（如可見光、極紫外光、紅外光等）的主要差異在於其能量和波長。X射線的光子能量範圍從100 eV至100 keV，相應的波長則介於0.01至10奈米之間。依據能量不同，X射線又可細分為軟X光（Soft X-ray）和硬X光（Hard X-ray）兩類，其中100至3 keV的能量區間通常被歸類為軟X光，而高於此範圍的則稱為硬X光。硬X光以其卓越的物質穿透性被廣泛應用於醫學影像領域，例如胸腔X光和電腦斷層掃描（CT）。胸腔X光影像便是利用硬X光的高穿透能力穿透人體，在人體後方的感光片上形成影像，這種成像方式被稱為投射影像。在投射影像過程中，通常不會遇到放大率的問題，主要用於進行宏觀影像的鑑定，而無需使用透鏡設備。

另一方面，軟X光由於容易被物質吸收，特別適合用於分析元素週期表上較輕元素的材料表面、近表面和界面的電子結構與化學特性。例如：通過分析軟X光的吸收特性以及相應產生的光電效應，可以進行如X光吸收光譜（X-ray absorption spectroscopy, XAS）和X光光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）等光譜分析。結合軟X光的光譜分析能力和顯微鏡的微觀觀測特性，可以在許多領域內發揮巨大的應用潛力。

為了進行這些先進的X光顯微技術的研究，同步輻射光源發揮關鍵作用。同步輻射光源是一種強大的光源，能夠產生高亮度、高能量解析度的連續電磁輻射，範圍涵蓋從紅外光到硬X光。這種光源的高亮度和可調節的波長使其成為研究材料微觀結構和性質的理想工具，特別是在需要光譜分析與高光強度的X光顯微技術領域。因此，即將介紹的四種軟X光顯微技術，包括光激發電子顯微鏡（PEEM）、穿透X光顯微鏡（TXM）、掃描式光電子顯微鏡（SPEM）和掃描式穿透X光顯微鏡（STXM），均需要利用同步輻射光源的特性來進行研究，而上述四種軟X光顯微鏡，皆可在國家同步輻射研究中心的台灣光源(Taiwan Light Source, TLS)與台灣光子源(Taiwan Photon Source, TPS)中找到[2]。

軟X光顯微鏡

圖二  常見的軟X光顯微鏡示意圖。

X光顯微鏡在除了投射式影像外，主要有兩種成像原理：全場區式（full-field）和掃描式（scanning type）。這兩種技術雖然都需要透鏡設備，但它們在使用透鏡的方式上存在明顯差異。
全場區式X光顯微鏡的工作方式與傳統的光學顯微鏡相似。它利用物鏡等透鏡組合將影像放大，並將放大後的影像投影到螢幕上。這種方式允許一次性捕捉整個視野（field of view, FOV）範圍內的影像，因此能夠在較短的時間內獲得影像。其空間解析度主要由物鏡的特性決定。全場區顯微鏡的主要優勢是快速獲得大範圍的影像，但其缺點在於，隨著放大倍率的增加，可觀察的視野相應減小。

與此相反，掃描式X光顯微鏡則採用了不同的方法。它通過X光透鏡（如波帶環片，Fresnel Zone Plate, FZP）將X光聚焦至繞射極限。該技術使用樣品平台的二維掃描機制，逐點掃描樣品，並基於每個點的X射線訊號強度，生成二維訊號強度的點陣圖。其空間解析度取決於聚焦後的光點大小。雖然這種點對點的掃描方式相對需要更長的時間來獲得完整影像，但它的優勢在於能提供高解析度的影像，且由於其掃描特性，其影像的視野幾乎沒有限制，只受樣品平台移動範圍（馬達極限）的限制。

軟X光全場區式顯微鏡 – 光電子激發顯微鏡與穿透X光顯微鏡

A.光激發電子顯微鏡 (Photoemission Electron Microscopy, PEEM)
軟X光全場區式顯微鏡的一個關鍵應用是光激發電子顯微鏡（PEEM）[3]，這種技術通過使用軟X光（或紫外光）照射樣品表面來進行微觀結構的分析。當軟X光照射到樣品時，光的能量被材料吸收，從而激發出低能量的二次電子。這些電子接著被電子透鏡系統捕捉，再加速及聚焦的過程後，通過電子透鏡進行放大和成像。PEEM的成像技術特別適用於分析樣品的表面或近表面區域，提供高解析度的影像。由於該技術是基於電子發射，因此對待測樣品的導電度有一定要求，且樣品與系統需在超高真空環境(Ultra-high vacuum, UHV)。此外，PEEM還可以與光子能量掃描結合，通過全電子產率（Total Electron Yield, TEY）[4]的方法來獲得X光吸收光譜資訊，藉此分析樣品表面化學和電子結構的空間分佈，為研究材料的表面性質和相互作用的強大工具。
PEEM的這些特點使其成為了材料科學、表面科學以及催化研究等領域的重要工具。它不僅能夠提供塊材或超薄膜樣品表面的高解析度影像，而且能夠深入了解其表面化學和電子結構，這對於新材料的開發和現有材料性能的改進都具有重要意義。

B.穿透X光顯微鏡 (Transmission X-ray Microscopy, TXM)

另一種軟X光全場區式顯微鏡為穿透X光顯微鏡（TXM）[5]，如圖二右所示。TXM的工作原理基於將X光通過聚焦鏡聚焦於樣品上，然後收集未被樣品吸收的X光。這些穿透的X光被X光透鏡捕捉並成像在二維影像偵測器上。樣品不同區域對X光的吸收強度不同，從而在成像偵測器上形成對比影像。由於這種技術基於穿透的光子，因此樣品的厚度、材料和密度會對成像產生影響。
TXM在軟X光領域的一個關鍵應用是細胞分子的三維（3D）研究，這種應用通常被稱為軟X光全像術（Soft X-ray Tomography, SXT）[6]。SXT與TXM基本原理相同，但SXT主要使用位於“水窗”（water window）能量範圍的X光進行成像。水窗是指碳到氧的吸收能量範圍（大約284 eV至534 eV），在這個能量範圍內，X光可以有效區分碳和氮等與生物相關元素的吸收強度，而不受細胞內含的水分子的影響。SXT的3D全像術是通過從不同角度對樣品進行成像，再將這些二維影像合成為三維結構。這種方法允許科學家非侵入性地、在幾乎原生態的狀態下觀察細胞內部結構，從而獲得對細胞功能和生物過程的深入理解。SXT的3D成像能力特別適合用於研究細胞組織、病理變化以及藥物作用機制等。

軟X光掃描式顯微鏡 – 掃描光電子顯微鏡

掃描式光電子顯微鏡（Scanning Photoelectron Microscopy, SPEM）[7]是一種特殊的材料表面分析顯微技術。SPEM透過波帶環片將軟X光聚焦至約100 nm並照射於樣品上，通過精確的樣品二維掃描，收集每一微小光點X光激發出的表面光電子，利用其光電子強度與數量，從而形成點對點的二維空間影像，如圖二(中)所式。SPEM的一個關鍵組成是半球形電子能譜儀，這種裝置能夠同時偵測到由X光激發而產生的不同動能的光電子，藉由分析其動能與光電子的強度分佈，得出X光光電子能譜(XPS)資訊。XPS是一種強而有力的技術能夠提供材料表面化學組成和電子狀態。結合XPS分析，SPEM能夠有效的應用於分析各種奈米材料與低維度材料系統上。

與光激發電子顯微鏡（PEEM）相似，SPEM在操作過程中要求樣品具有一定的導電性，這主要是為了避免非導電材料累積電荷，影響電子的正常發射和傳輸。在XPS分析中，這一點尤為重要，因為電荷累積會嚴重影響測量結果的準確性。此外，SPEM需要在超高真空環境中進行操作，這不僅有助於光電子的接收與探測，亦避免造成半球形能譜儀的損壞，同時也減少樣品表面的污染，因為XPS的訊號探測深度非常淺，表面污染會對分析結果產生顯著影響。

軟X光掃描式顯微鏡 – 掃描穿透X光顯微鏡

掃描穿透X光顯微鏡（Scanning Transmission X-ray Microscopy, STXM）在某些方面與掃描式光電子顯微鏡（SPEM）使用的光學元件非常相似，特別是在使用波帶環片（Fresnel Zone Plate, FZP）來將光點精準聚焦至奈米尺度（通常為30nm）並照射於樣品上。然而，與SPEM不同的是，STXM的影像強度分佈是基於檢測穿透樣品後的光通量或光子數量。通過對樣品進行細致的二維掃描，STXM可以獲得二維穿透光強影像。
根據比爾定律（Beer’s law），當單色光通過一個固定厚度的介質後，其穿透光的強度會有所減弱。這種光密度（Optical Density, OD，又稱為吸收度）與介質的質量吸收係數（mass absorption coefficient, μ(λ)）、介質密度（ρ）和厚度（t）有關，其關係式為：

，I0與I分別代表穿透前後的光通量。質量吸收係數μ(λ)是光能量(波長)的函數，與待測物的原子序、折射率和化學狀態密切相關。通過掃描X光的能量並分析其光密度，STXM可以獲得有關樣品的化學組成和電子結構等資訊。這些訊號是X光吸收光譜（XAS）的基礎原理，也是STXM主要獲取的能譜資訊，而STXM的穿透光強影像也可藉此公式轉換成光密度影像，並分析其吸收光譜資訊。

STXM的主要探測訊號是穿透樣品後的光通量（photon-in, photon-out），因此不需要在超高真空環境中運作，而是可以在接近室壓（通常在約50 torr的氦氣背景環境）下運行。這使得STXM在操作和上手難易度上相對較低。由於不是探測電子，系統在樣品上也不會施加高電壓，因此對樣品的導電度和平整度幾乎沒有限制，大多數的材料都適合進行量測，也因此STXM在統計上被認為是最有效率且最有科學文章發表潛力的軟X光顯微術之一[8]。然而，由於是量測穿透的光通量，樣品的厚度則成為一個重要的限制因素，尤其在軟X光條件下。樣品厚度的適宜範圍與其材料元素和密度等性質直接相關；例如，金屬或合金材料可能只能對幾百奈米厚的樣品進行穿透，而對於有機分子等軟物質系統，則最佳可以處理厚至微米級的樣品。STXM的樣品準備方式與掃描穿透電子顯微鏡(Scanning Transmission Electron Microscopy, STEM)非常相似，奈米粉末、懸空薄膜(free-standing film)、二維材料系統(two dimensional systems)與聚焦離子束(focus ion beam)切割過後的塊材樣品皆可進行分析。

掃描穿透X光顯微鏡於能源材料上的應用

近年來，由於全球高度關注能源對於環境友善和永續發展的重要影響。在這一背景下，太陽能電池的發展、電解水產氫技術，以及高效能電池系統的創新成為了科學研究的焦點。這些領域的研究不僅於應對氣候變化和能源危機具有重要意義，同時也對推動新能源技術的進步起到關鍵作用。在這些研究領域中，掃描穿透X光顯微鏡（STXM）的應用展現了其獨特的優勢。STXM以其精確的微觀分析能力，能夠提供對材料結構和化學特性的深入了解，這對於開發和優化新穎能源材料至關重要。

蓄電池臨場研究（In-operando Rechargeable Battery Research）

蓄電池（Rechargeable battery）材料是實現未來能源需求的關鍵。為了增強這些材料的性能，譬如提升它們的儲能密度，我們必須深入瞭解這些材料在原子和電子層面的結構，以及電池內部所發生的諸多化學反應。在這方面，原位掃描穿透X光顯微鏡（in-operando STXM）技術展現出其獨特的重要性。「原位實驗」指的是在實際運作條件下對材料進行觀察和分析的實驗方法。這種實驗方式使我們能夠實時觀察和瞭解電池材料在充電和放電過程中的行為，從而揭示材料的內在運作機制。

以鋰離子電池為例，使用原位STXM技術，科學家們能夠觀察到鋰離子在電池材料中的嵌入和釋放過程，從而理解其充電和放電過程對於陽極與陰極材料發生的反應。其中，最經典的範例則是由史丹佛大學William C. Chueh教授團隊在2016年所發表的磷酸鋰鐵電池材料(LiFePO4)的原位STXM研究[9]，如圖三。Chueh教授的團隊藉由STXM研究看到化學相的形成和消失，並藉由鐵的L-edge吸收光譜看到磷酸鋰鐵（Fe3+PO4）中的鐵離子從三價還原為二價（LiFe2+PO4），如圖三B。更有趣的是，這項技術還能夠將鋰離子在電池材料中的移動視覺化，讓我們能夠直觀地看到在不同速率充電和放電過程中鋰離子是如何在材料內部移動的。這種視覺化不僅幫助我們理解電池的工作機制，還能指導我們設計出更高效的電池材料。例如，通過觀察磷酸鋰鐵（LiFePO4）在放電過程中的相變化，我們可以學會如何改進材料結構，以提高電池的充放電效率。

圖三 A.原位電化學實驗槽示意圖，B. 磷酸鋰鐵鋰離子電池完全充電(綠色)與完全放電（紅色）的Fe L-edge吸收光譜，C. 單顆磷酸鋰鐵在不同放電與充電的原位影像。該圖出自文獻[9]。

總結
本文介紹了數種軟X光顯微鏡，並簡述其在當代科學研究中的應用，突顯了這些技術的重要性與潛力。這些顯微鏡技術，包括光激發電子顯微鏡（PEEM）、穿透X光顯微鏡（TXM）、掃描式光電子顯微鏡（SPEM）以及掃描穿透X光顯微鏡（STXM），各自擁有獨特的優勢，使它們成為揭示材料微觀結構和化學特性強而有力的工具。特別值得一提的是，STXM在這些技術中展現出極高的效率和廣闊的應用前景。它不僅能夠提供材料的高解析度影像，還能夠透過原位（in-operando）實驗，在材料實際運作狀態下進行觀察和分析，從而提供對能源材料如蓄電池、有機無機混合鈣鈦礦太陽能電池和電解水催化反應等關鍵技術的深入了解。總體來說，STXM等軟X光顯微鏡技術在先進材料的研究中有著不可忽視的貢獻。它們不僅增進了我們對這些材料微觀世界的理解，還為未來的能源解決方案開闢了新的道路。隨著這些技術的進一步發展和應用，我們有望在不久的將來見證更多突破性的科學成果。以上所介紹的軟X光顯微術皆可在國家同步輻射研究中心中使用到，若讀者有興趣了解其細節，或有科學研究想進行，歡迎與我聯絡。

Reference
[1] H. H. Seliger, Phys. Today 48, 25 (1995).
[2] H.-W. Shiu, T.-H. Chuang, C.-M. Cheng, C.-H. Chen, Y.-J. Hsu, and D.-H. Wei, J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom. 266, 147363 (2023).
[3] D. H. Wei, Y.-L. Chan, and Y.-J. Hsu, J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom. 185, 429 (2012).
[4] J. Stöhr, NEXAFS Spectroscopy (Springer, 1992).
[5] L.-J. Lai et al., Microsc. Microanal. 24, 394 (2018).
[6] C.-W. Chen et al., Microsc. Microanal. 24, 394 (2018).
[7] R. Klauser et al., Surface Review & Letters 9, 213 (2002).
[8] A. P. Hitchcock, J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom. 200, 49 (2015).
[9] J. Lim et al., Science 353, 566 (2016).