深度解析透射电子显微镜(TEM)：从原理到应用的全面指南

1.知识概述

透射电子显微镜（TEM）是一种基于高能电子束穿透超薄样品（通常<100 nm）的显微分析技术。当电子束穿过样品时，会与原子发生相互作用，产生弹性散射（角度变化）和非弹性散射（能量损失）。由于散射强度与样品的局部原子序数、晶体结构及厚度密切相关，最终在成像器件（如荧光屏、CCD相机）上形成高分辨的明暗对比图像。

2.系统组件

TEM系统主要由以下关键模块构成：

a.电子发射系统

由阴极（电子源）、栅极（控制极）和阳极（加速极）组成。阴极产生的电子束经栅极孔径准直后，在阳极高压电场作用下加速形成高能电子束，随后进入聚光镜系统。

b.聚光镜系统

通过电磁透镜作用将发散电子束会聚为平行照明光束，确保样品平面获得均匀照射。

c.样品承载系统

精密机械样品杆实现样品的定位、倾斜及温控等操作，确保观测区域准确定位于电子光路中。

d.多级成像透镜组

物镜：完成初始成像及一次放大

中间镜：实现二次放大并调控工作模式（成像模式/衍射模式）

投影镜：执行最终三级放大

e.信号转换系统

荧光屏：通过电子激发荧光材料将不可见电子信号转换为可见光图像

CCD探测器：通过光电转换将光学图像数字化，实现图像采集与存储

3.原理

透射电子显微镜与光学显微镜在成像光路上具有本质的相似性，两者均采用聚光镜系统对光源（光波或电子束）进行会聚后照射样品，透过样品的光束进入物镜系统完成初步成像。在后续放大过程中，光学显微镜通过物镜组直接进行二次放大后供肉眼观察，而电子显微镜则采用中间镜和投影镜组成的级联放大系统，经过两次接力放大后在荧光屏上形成最终像。值得注意的是，电子显微镜的物镜成像光路与光学凸透镜的放大光路在数学建模上完全一致，这种设计上的继承性充分体现了波动光学与电子光学在成像原理上的统一性。

4.显微图像类别

（1）明暗场衬度成像

明场成像通过物镜光阑选择透射电子束成像，衍射束被阻挡，形成背景明亮、缺陷区域暗衬的图像。暗场成像则采用倾斜入射方式，使特定衍射束通过物镜光阑，形成背景暗、衍射区域亮的反向衬度图像。

应用案例：硅内部明暗场图

（2）高分辨透射电子显微成像

当样品厚度控制在1纳米以下时，可获得反映晶体结构的原子尺度图像，包括：晶格条纹像（显示晶面间距）、结构像（呈现原子排列）及单原子像（直接观测原子位置）等高分辨率信息。

应用案例：硅纳米线的HRTEM图像

（3）电子衍射模式

选区电子衍射（SAD）用于分析微米尺度区域的晶体结构；会聚束电子衍射（CBED）和微束衍射（MED）则分别提供纳米尺度区域的结构信息，其中CBED通过会聚电子束获得，MED采用微米级探针扫描实现。

应用案例:单晶氧化硅电子衍射图

5.与SEM的区别

在电子束-样品相互作用过程中，会激发产生多种信号：二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征X射线以及透射电子等。扫描电子显微镜(SEM)主要采集二次电子和背散射电子信号进行表面形貌分析，而透射电子显微镜(TEM)则通过收集穿透样品的透射电子获取内部结构信息。

SEM样品制备具有较大灵活性：可通过切割、研磨、抛光或解理等常规方法制备观察表面，对样品厚度无特殊限制。TEM样品则必须满足严格的厚度要求(通常10-100纳米)，过厚样品会导致电子束无法穿透或产生多重散射，严重影响成像质量。