[科普中國(guó)]-TEM

透射電子顯微鏡（英語(yǔ)：Transmission electron microscope，縮寫(xiě)TEM），簡(jiǎn)稱(chēng)透射電鏡，是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射電子顯微鏡的分辨率為0.1～0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬(wàn)～百萬(wàn)倍，用于觀察超微結(jié)構(gòu)，即小于0.2微米、光學(xué)顯微鏡下無(wú)法看清的結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)“亞顯微結(jié)構(gòu)”。

簡(jiǎn)介透射電子顯微鏡(TEM)有兩個(gè)主要用途:用于形貌觀察—一電子成像;用于測(cè)定結(jié)構(gòu)——電子衍射。電子衍射的幾何學(xué)與Ⅹ射線衍射完全一樣。都遵守勞厄方程或布拉格方程所規(guī)定的衍射條件和幾何關(guān)系。由于加速電壓100kV以上的電子的波長(zhǎng)比Ⅹ射線短得多,根據(jù)布拉格方程2dsinθ=nλ的電子衍射角2θ也小得多;物質(zhì)對(duì)電子的散射比對(duì)X射線散射幾乎強(qiáng)1萬(wàn)倍,所以電子衍射強(qiáng)度高得多,攝譜時(shí)間比Ⅹ射線短得多。

電子衍射的本質(zhì)是波長(zhǎng)短、散射強(qiáng)。電子衍射的許多特征都與此有關(guān)。波長(zhǎng)短決定電子衍射的幾何特點(diǎn),它使單晶的電子衍射譜變得和晶體倒易點(diǎn)陣的一截面完全相似。散射強(qiáng)度決定電子衍射的光學(xué)特點(diǎn),有時(shí)衍射束的強(qiáng)度幾乎與透射束的強(qiáng)度相當(dāng),因此必須考慮它們之間的交互作用,即多次衍射和動(dòng)力衍射效應(yīng)。另外,電子在物質(zhì)中的穿透深度有限,比較適合用來(lái)研究微晶、表面和薄膜的晶體結(jié)構(gòu)。電子衍射的早期應(yīng)用也就是研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)。

自20世紀(jì)50年代以來(lái),電子衍射得到長(zhǎng)足的發(fā)展和越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。顯然,與電子衍射和透射電鏡的密切結(jié)合有關(guān),二者各有所長(zhǎng),相互補(bǔ)充,使衍射和成像有機(jī)地聯(lián)系在一起。許多合金相只有幾十微米大小,有時(shí)甚至小到幾千埃,不能用X射線進(jìn)行單晶衍射試驗(yàn)。但卻能用電子顯微鏡在放大幾萬(wàn)倍的情況下把這些晶體挑選出來(lái),用微區(qū)電子衍射(選區(qū)電子衍射)研究這些微晶的結(jié)構(gòu)。另一方面,薄膜器件和薄晶透射電子顯微術(shù)的發(fā)展,顯著地?cái)U(kuò)大了電子衍射的應(yīng)用范圍,也促進(jìn)了動(dòng)力學(xué)衍射的進(jìn)一步發(fā)展1。

發(fā)展史TEM是德國(guó)科學(xué)家Ruskahe和Knoll在前人Garbor和Busch的基礎(chǔ)上于1932年發(fā)明的。

成像原理透射電子顯微鏡的成像原理可分為三種情況：

吸收像：當(dāng)電子射到質(zhì)量、密度大的樣品時(shí)，主要的成相作用是散射作用。樣品上質(zhì)量厚度大的地方對(duì)電子的散射角大，通過(guò)的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理。

衍射像：電子束被樣品衍射后，樣品不同位置的衍射波振幅分布對(duì)應(yīng)于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當(dāng)出現(xiàn)晶體缺陷時(shí)，缺陷部分的衍射能力與完整區(qū)域不同，從而使衍射波的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。 相位像：當(dāng)樣品薄至100A以下時(shí)，電子可以穿過(guò)樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來(lái)自于相位的變化。

組件電子槍?zhuān)喊l(fā)射電子，由陰極、柵極、陽(yáng)極組成。陰極管發(fā)射的電子通過(guò)柵極上的小孔形成射線束，經(jīng)陽(yáng)極電壓加速后射向聚光鏡，起到對(duì)電子束加速、加壓的作用。 聚光鏡：將電子束聚集，可用于控制照明強(qiáng)度和孔徑角。 樣品室：放置待觀察的樣品，并裝有傾轉(zhuǎn)臺(tái)，用以改變?cè)嚇拥慕嵌?，還有裝配加熱、冷卻等設(shè)備。 物鏡：為放大率很高的短距透鏡，作用是放大電子像。物鏡是決定透射電子顯微鏡分辨能力和成像質(zhì)量的關(guān)鍵。 中間鏡：為可變倍的弱透鏡，作用是對(duì)電子像進(jìn)行二次放大。通過(guò)調(diào)節(jié)中間鏡的電流，可選擇物體的像或電子衍射圖來(lái)進(jìn)行放大。 透射鏡：為高倍的強(qiáng)透鏡，用來(lái)放大中間像后在熒光屏上成像。 此外還有二級(jí)真空泵來(lái)對(duì)樣品室抽真空、照相裝置用以記錄影像。

應(yīng)用透射電子顯微鏡在材料科學(xué)、生物學(xué)上應(yīng)用較多。由于電子易散射或被物體吸收，故穿透力低，樣品的密度、厚度等都會(huì)影響到最后的成像質(zhì)量，必須制備更薄的超薄切片，通常為50～100nm。所以用透射電子顯微鏡觀察時(shí)的樣品需要處理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷凍超薄切片法、冷凍蝕刻法、冷凍斷裂法等。對(duì)于液體樣品，通常是掛預(yù)處理過(guò)的銅網(wǎng)上進(jìn)行觀察。

特點(diǎn)以電子束作光源，電磁場(chǎng)作透鏡。電子束波長(zhǎng)與加速電壓(通常50~120KV)成反比。

由電子照明系統(tǒng)、電磁透鏡成像系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等5部分構(gòu)成。

分辨力0.2nm，放大倍數(shù)可達(dá)百萬(wàn)倍。

TEM分析技術(shù)是以波長(zhǎng)極短的電子束作照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種高分辨率（1nm）、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)分析技術(shù)；

用電鏡（包括TEM）進(jìn)行樣品分析時(shí)，通常有兩個(gè)目的：一個(gè)是獲得高倍放大倍數(shù)的電子圖像，另一個(gè)是得到電子衍射花樣；

TEM常用于研究納米材料的結(jié)晶情況，觀察納米粒子的形貌、分散情況及測(cè)量和評(píng)估納米粒子的粒徑。是常用的納米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的表征技術(shù)之一1。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

江松敏 - 副教授 - 復(fù)旦大學(xué)