2024-09-19 10:45:44
透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是将经过加速及聚集后的电子束透射至很薄的试样上，电子撞击试样中原子并改变其方向，形成立体角散射。散射角与试样密度和厚度有关，故可形成明暗不等的图像，图像经放大和聚焦后显示于成像器件（例如荧光屏、胶片和感光耦合组件等）的显微镜。
背景知识
光学显微镜下不能看到0.2微米以下的细微结构，即所谓亚显微结构或者超细结构。为了清晰地观察到这些构造，需要选用较短波长光源来提高显微镜分辨率。1932年Ruska发明了用电子束作光源的透射电子显微镜，电子束的波长远短于可见光和紫外光，电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，即电压越高，波长越短。TEM的分辨力现在高达0.2纳米。
⭐电子束与样品之间的相互作用图
透射的电子束包含有电子强度、相位以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。
TEM系统组件
TEM系统主要包括如下几个部分：·电子枪：用于发射电子。它包括阴极、栅极、阳极。阴极管出射电子经过栅极小孔产生射线束并在阳极电压下加速后入射到聚光镜中，起着加速电子束、加压电子束作用。
· 聚光镜：将电子束聚集得到平行光源。
· 样品杆：装载需观察的样品。
· 物镜：聚焦成像，一次放大。
· 中间镜：二次放大，并控制成像模式（图像模式或者电子衍射模式）。
· 投影镜：三次放大。
· 荧光屏：将电子信号转化为可见光，供操作者观察。· CCD相机：电荷耦合元件，将光学影像转化为数字信号。
⭐透射电镜基本构造示意图
基本原理
透射电子显微镜主要将加速聚焦后的电子束投影在特别薄的试样上，电子与试样中原子发生碰撞，使其改变方向，形成立体角散射。散射角大小与样品密度，厚度有关，因此会形成亮暗不一的图像，图像经过放大，聚焦之后会呈现于成像器件中。
⭐透射电镜原理图
样品制备
制样要求：
TEM样品的制备在材料科学研究中，电子显微学的研究工作中，占有重要地位，它是一项很细致的技术工作。为了获得良好的TEM结果必须先制备出良好的薄膜样品，TEM样品的制备对于电子显微学的研究具有十分重要的意义。传统常规的制备方法有多种，如：化学减薄，电解双喷，解理，超薄切片，粉碎研磨，FIB聚焦离子束机械减薄和离子减薄等，均可制备出良好的薄膜样品。当前新材料发展迅速，对样品制备有较高要求。样品制备发展方向应以制备时间短、电子穿透面积大、薄区厚度薄和高度局域减薄为主。TEM试样种类：·块状：普通微结构研究用平面：薄膜及表面附近微结构研究用横截面试样：均匀薄膜及界面微结构研究用小块物体：粉末，纤维，纳米量级材料
⭐透射样品制备工艺图
⭐截面样品制备工艺图
⭐粉末样品制备工艺图
应用
透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须制备更薄的超薄切片，通常为50～100纳米。所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。对于液体样品，通常是挂预处理过的铜网上进行观察。2022年9月，中国科学院地球化学研究所科研团队针对嫦娥五号月壤样品开展了研究，发现嫦娥五号矿物表层中存在大量的太阳风成因水，结合透射电镜与能谱分析，揭示了太阳风成因水的形成和保存主要受矿物的暴露时间、晶体结构和成分等影响。这一成果在国际学术期刊《自然·通讯》发表。
常见问题解析
为什么透射电镜没有颜色？
颜色是由光的颜色决定的，也就是电磁波的频率决定的，而电子显微镜的光不是自然光，而是电子束光源，所以显示不出来五彩斑斓的色彩。TEM可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2微米的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。电镜获得的图像是反映电子多少（即亮度）的“灰度图”，其中没有色彩信息。
· TEM和SEM的区别：
一束高能量入射电子轰击材料表面后，受激区域会出现二次电子，背散射电子和俄歇电子等特征X射线和透射电子及可见，紫外和红外光区电磁辐射等。扫描电镜收集二次电子和背散射电子的信息，透射电镜收集透射电子的信息。
SEM制样对于试样厚度无特殊要求，可通过切，磨，抛光或解理来呈现具体剖面，使之变为可观测表面；TEM所获得显微图像的品质强烈地取决于试样的厚度，所以试样的观测部位应很薄，通常在10~100纳米以内或更薄。
⭐SEM工作原理图
什么是衍射衬度？它与质厚衬度有什么区别？
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。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。
