透射电子显微镜（TEM）快速入门：原理与操作指南

无法被清晰地观察。为了解决这一问题，科学家们开始探索使用波长更短的光源来提高显微镜的分辨率。1932年，德国科学家恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）成功发明了透射电子显微镜（TEM），利用电子束作为光源。由于电子束的波长远小于可见光和紫外光，并且波长与电子束的加速电压成反比，TEM的分辨率可以达到0.2纳米，极大地扩展了人类对微观世界的观察范围。

 

 

 

TEM组成部分

电子枪：

电子枪是TEM的核心部件之一，负责发射电子。它由阴极、栅极和阳极组成。阴极发射的电子通过栅极上的小孔形成电子束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到加速和聚焦电子束的作用。

聚光镜：

聚光镜的作用是将电子束聚焦，形成平行光源，为后续的成像过程提供稳定的电子束。

样品杆：

样品杆用于装载待观察的样品，确保样品在电子束的作用下能够被清晰地成像。

物镜：

物镜负责聚焦成像，进行第一次放大。它将电子束聚焦到样品上，形成初步的图像。

中间镜：

中间镜进行第二次放大，并控制成像模式（图像模式或电子衍射模式），以满足不同的观察需求。

投影镜：

投影镜进行第三次放大，进一步提高图像的清晰度。

荧光屏：

荧光屏将电子信号转化为可见光，供操作者观察。它是观察者直接看到图像的界面。

CCD相机：

电荷耦合元件（CCD）相机将光学影像转化为数字信号，便于后续的图像处理和分析。

 

 

TEM组成部分

透射电子显微镜的成像原理与光学显微镜在光路设计上相似。电子束作为光源，经过聚光镜会聚后照射到样品上。透射过样品的电子束进入物镜，由物镜会聚成像，形成第一次放大图像。随后，中间镜和投影镜再进行两次接力放大，最终在荧光屏上形成清晰的投影图像供观察者观察。电镜物镜成像光路图也与光学凸透镜放大光路图一致，都是通过透镜的聚焦作用实现图像的放大和清晰显示。

 

样品制备

由于透射电子显微镜收集的是透射过样品的电子束的信息，因此样品必须足够薄，以便电子束能够顺利透过。

样品制备是TEM分析的关键步骤之一，常见的样品类型包括复型样品、超显微颗粒样品和材料薄膜样品等。

制样设备包括真空镀膜仪、超声清洗仪、切片机、磨片机、电解双喷仪、离子薄化仪和超薄切片机等。这些设备用于将样品加工成适合TEM观察的超薄状态，以确保电子束能够有效透过样品并获取清晰的图像信息。

 

成像种类

TEM的操作模式多样，以适应不同的分析需求。金鉴实验室能够进行多种测试，金鉴专家团队将根据客户的具体需求，选择最合适的测试模式，以确保数据的准确性和可靠性。

 

明暗场衬度图像：明场成像（Brightfield image）是在物镜的背焦面上，让透射束通过物镜光阑而把衍射束挡掉得到图像衬度的方法。暗场成像（Darkfield image）是将入射束方向倾斜2θ角度，使衍射束通过物镜光阑而把透射束挡掉得到图像衬度的方法。明暗场成像能够清晰地显示样品中的缺陷、位错等微观结构特征。

 

高分辨TEM（HRTEM）图像：

HRTEM可以获得晶格条纹像（反映晶面间距信息）；结构像及单个原子像（反映晶体结构中原子或原子团配置情况）等分辨率更高的图像信息。但是要求样品厚度小于1纳米，以确保电子束能够有效透过并获取清晰的高分辨图像。

电子衍射图像：

电子衍射是TEM的另一重要功能，能够提供样品的晶体结构信息。选区衍射（Selected area diffraction, SAD）用于分析微米级微小区域的结构特征；会聚束衍射（Convergent beam electron diffraction, CBED）和微束衍射（Microbeam electron diffraction, MED）则用于分析纳米级微小区域的结构特征。电子衍射图像能够帮助研究人员确定样品的晶体结构、晶格常数等重要信息。

 

常见问题

TEM和SEM的区别：

透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）是电子显微镜的两种主要类型，它们在工作原理和应用领域上存在一些区别。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征X射线、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。扫描电镜主要收集二次电子和背散射电子的信息，用于观察样品表面的形貌和成分分布；而透射电镜则收集透射电子的信息，用于观察样品内部的微观结构和晶体结构等。

衍射衬度与质厚衬度的区别：

晶体试样在进行电镜观察时，由于各处晶体取向不同和（或）晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下表面处有不同的衍射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成的衬度称为衍射衬度。衍射衬度主要反映样品的晶体结构和取向信息。而质厚衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，适用于对复型膜试样电子图像做出解释。质厚衬度主要反映样品的厚度和原子序数差异，与样品的晶体结构和取向关系不大。透射电子显微镜（TEM）作为一种强大的显微技术，为我们深入理解材料的微观世界提供了宝贵的视角。