透射電子顯微鏡（TEM）：基礎知識概覽

透射電子顯微鏡（TEM）概述

透射電子顯微鏡（TEM）是材料科學、納米技術等領域中不可或缺的研究工具。對于新接觸TEM的科研人員而言，理解其基礎原理和操作對于高效利用這一設備至關重要。本文將詳細介紹TEM的基礎知識，以幫助新手快速掌握這一技術。

TEM檢測的關鍵點

TEM檢測主要關注材料的微觀結構特征，包括元素分布、相組成、晶體缺陷等。這些特征在微觀層面上表現(xiàn)為不同相晶粒的尺寸、形狀、分布以及晶體缺陷的密度和分布狀況。通過TEM，研究人員能夠深入了解材料的內(nèi)部結構，從而評估材料的性能和潛在應用。

TEM相較于其他儀器的優(yōu)勢

與其他分析儀器，如光譜儀、X射線衍射儀等相比，TEM的最大優(yōu)勢在于其超高的空間分辨率。TEM不僅能檢測材料的元素成分，還能在原子級別上分析晶體結構，實現(xiàn)原位觀察。這種能力使得TEM在納米尺度上的研究中具有不可替代的地位。

TEM高分辨率的物理基礎

TEM之所以能夠實現(xiàn)原子級別的高分辨率，是因為它采用波長極短的高速電子束作為照明源。普通光學顯微鏡的分辨率受限于照明束的波長，而電子束的波長遠短于可見光，因此TEM的分辨率遠超傳統(tǒng)顯微鏡。此外，電子束的波粒二象性使得TEM能夠實現(xiàn)對材料的原子級別成像。

TEM的基本結構和功能

TEM的基本結構包括電子槍、聚光鏡、樣品臺、物鏡、中間鏡和投影鏡等關鍵部件。電子槍產(chǎn)生高速電子束，聚光鏡將電子束聚焦，樣品臺承載并精確定位樣品，物鏡和中間鏡進一步放大樣品的圖像，投影鏡將放大后的圖像投射到熒光屏或檢測器上。這些部件的協(xié)同工作使得TEM能夠實現(xiàn)對樣品的高倍放大成像和分析。

TEM的工作模式

TEM主要有三種工作模式：放大成像模式、電子衍射模式和掃描透射模式（STEM）。在放大成像模式下，TEM類似于傳統(tǒng)光學顯微鏡，獲取樣品的形貌像；在電子衍射模式下，TEM捕捉樣品的衍射花樣，反映樣品的晶體結構；在STEM模式下，TEM通過聚焦電子束逐點掃描樣品，結合探測器收集信號，實現(xiàn)更高分辨率的成像。

TEM成像的差異：明場像、暗場像、中心暗場像

明場像：只允許透射束通過物鏡光闌成像，顯示樣品的整體結構。

暗場像和中心暗場像：特定衍射束通過物鏡光闌，中心暗場像特別強調衍射束沿透射光軸方向的成像，通常具有更好的成像質量。

TEM的像差

像差是限制電子顯微鏡分辨率的主要因素，包括球差、色差和像散等。球差由電子在磁透鏡中心區(qū)與邊緣區(qū)折射能力的差異造成，色差源于電子能量的分散，像散由磁場的非軸對稱性引起。衍射差則是由于光闌孔處的夫瑯禾費衍射效應造成。

TEM的襯度類型

TEM的襯度由電子與物質相互作用產(chǎn)生的散射引起，包括質厚襯度、衍射襯度、相位襯度和Z襯度等。

質厚襯度：反映樣品表面特性和形貌特征，由樣品不同微區(qū)的原子序數(shù)和厚度差異造成。

衍射襯度：由于樣品內(nèi)不同位向晶體符合布拉格條件不同，導致各處衍射強度不一。

相位襯度：樣品足夠薄時，穿透樣品的電子束波的相位差異產(chǎn)生襯度，適用于高分辨率成像。

Z襯度：在STEM模式下，圖像亮度與原子序數(shù)平方成正比，適用于觀察元素分布。