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透射电镜在材料科学及相关领域中扮演着不可或缺的角色，而其中最为常见的三种类型分别是普通透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）。

透射电子显微镜（TEM）利用高能电子束穿透薄样品并形成图像，其原理基于电子的波动性和与样品中原子的相互作用。

电子源通常是一个加热的钨丝或场发射枪（Field Emission Gun, FEG），后者因能产生高质量、高亮度的电子束而常用于高分辨率成像。

电子束在高真空环境中被加速至100-300 keV的高能量，并通过电磁透镜聚焦成平行束。样品需非常薄（10-200 nm），以便电子束能够穿透并产生足够的透射电子用于成像。

当电子束穿透样品时，会发生弹性散射和非弹性散射，其中弹性散射的电子用于明场成像，而非弹性散射的电子则用于暗场成像和电子衍射。

在明场成像中，检测器捕捉未被样品散射的透射电子，较厚或原子序数较高的区域因吸收或散射更多电子而在图像中显得较暗。暗场成像则捕捉被样品散射的电子，样品中的缺陷或结构特征会散射电子，形成明亮的对比度。

此外，电子衍射图可以提供晶体结构和晶格参数的信息。TEM在高真空环境中操作，以防止高能电子与空气分子发生碰撞，确保电子束稳定穿透样品并形成清晰的图像。

相比光学显微镜，光学显微镜的分辨率受到光的波长限制，一般在200-300纳米左右，而TEM能够突破这个限制，其分辨率可以达到几个纳米数量级。可以观察到纳米粒子的尺寸和形貌。

TEM不仅可以观察到样品的形态和微观结构，还可以通过电子衍射等技术获取样品的晶体结构信息。当电子束穿过薄的晶体样品时，会发生衍射现象，通过对衍射图案的分析，可以确定晶体的晶格类型、晶格常数等参数。

纳米材料表征：观察纳米颗粒、纳米管（如碳纳米管）、量子点的形貌、尺寸和晶体结构。（图a-c）

电子衍射：当被观察的材料呈现周期性排列，例如晶体结构时，电子束会与这种周期性结构发生相互作用，进而产生衍射现象。这种独特的衍射图样是透射电子显微镜（TEM）的标志性特征，它能够为我们提供关于晶体结构、对称性以及晶体取向的详细信息。（图d、e）

DOI：10.1016/j.msea.2021.142194

高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）是一种先进的微观分析技术，其核心原理是利用电子束穿透超薄样品，并通过电磁透镜聚焦来生成高分辨率图像。

首先，电子枪发射出高速电子束，这些电子束经过一系列电磁透镜的聚焦和调节，形成一束细小且亮度极高的电子束。当这束电子穿过极薄的样品时，会与样品中的原子发生相互作用。

由于样品不同区域的原子结构和成分存在差异，电子束的传播路径会受到不同程度的散射和干涉影响。散射后的电子束随后经过物镜、中间镜和投影镜等多级电磁透镜的放大与聚焦，最终在荧光屏或探测器上形成图像。

高分辨率成像的关键在于物镜的高性能和稳定性，它能够揭示样品中极其微小的结构细节。HRTEM主要依赖相位衬度来生成图像。电子束穿过样品后，其相位会发生变化，而不同位置的相位变化则反映了样品的原子结构信息。

通过复杂的光学系统和图像处理技术，可以将相位信息转换为可观察的图像对比度，从而清晰地展示样品的原子排列和晶体结构。

纳米材料：能够观察纳米颗粒、纳米线、纳米管等纳米尺度材料的形貌和结构，提供纳米材料的尺寸、形状、表面结构以及内部晶体结构的详细信息。

DOI：10.1002/adma.202108829

缺陷分析：可以检测材料中的各种缺陷，如位错、晶界、层错等。

下图为经过对比度传递函数（CTF）校正的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，显示了UiO-66-D样品的[001]方向上不同类型的缺失簇缺陷，这些缺陷分别采用了reo结构（a）和scu结构（b）。

DOI：10.1038/s41557-019-0263-4

界面研究：HRTEM能够揭示不同材料之间的界面结构和相互作用，如界面处的原子排列和化学键合情况；界面处的微观结构变化，如界面层的厚度、界面处的元素分布等。

下图为GO-CNTs/Cu复合材料界面处记录的TEM图像；(c–d) 来自(a)中黄色框区域的相应HRTEM图像

DOI：10.1016/j.carbon.2023.118157

扫描透射电子显微镜（STEM）的工作原理如图所示。场发射电子枪激发的电子束经过复杂的聚光系统后，被汇聚成原子尺度的电子束斑，作为高度聚焦的电子探针。在扫描线圈的控制下，电子束对样品进行逐点光栅扫描。

在电子束斑与样品相互作用的同时，样品下方具有一定孔径的环形探测器同步接收散射电子。入射电子穿透样品后激发出来的电子信号根据散射角度进行收集、信号转换与成像。这一过程通过逐点扫描和逐点成像实现，连续扫描样品的一个区域后即可获得最终的扫描透射结果。

在STEM的工作过程中，采用逐点扫描和逐点成像的模式，样品上的每个扫描点与产生的像点一一对应。

与透射电子显微镜（TEM）通过平行电子束一次性成像不同，STEM利用会聚电子束在样品上逐点扫描成像。TEM的工作方式类似于“拍照片”，而STEM则更像是一个细致的“作画”过程。

除了通过环形探测器收集散射信号进行成像外，STEM还可以结合后置的电子能量损失谱仪（EELS）和X射线能谱探测器（EDS），获取电子能量损失谱（EELS）和微区元素分析（EDS）结果。

这些技术能够提供样品的化学组成和电子结构信息，从而为材料的微观分析提供更全面的数据支持。

HAADF-STEM图像观察晶格结构与原子分布：其成像原理基于高角散射电子信号，使得原子柱对信号的贡献更为显著。因此，HAADF-STEM图像能够清晰地显示出材料的晶格结构，包括晶体的取向、缺陷（如位错、晶界等）以及原子的排列方式。

如图所示，南开大学李福军团队通过原位XRD监测材料的结构演变。ZT-NFM与NFM初始充电时均发生O3-P3相变。当进一步充电到3.6 V时，ZT-NFM与NFM的相变行为开始出现不同。

ZT-NFM的(003)峰缓慢向右移动，这表明P3相通过固溶体脱钠逐渐转变为O/P共生的OP2相。作者通过HAADF-STEM去直接观测脱钠过程的结构变化，证实了O3↔P3↔OP2的相变路径。

DOI：10.1002/anie.202316949

STEM识别单原子：STEM通过高分辨率成像和HAADF模式，可识别单原子。其高分辨率和像差校正技术能清晰显示原子结构。

HAADF模式中，重原子信号更强，便于识别。超薄样品和低剂量成像可减少散射和损伤，提升成像质量。结合图像处理和定量分析，STEM可确定单原子的元素和化学状态。

山东大学王建军团队利用像差校正高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（AC-HAADF-STEM）对原子结构进行检测。在观察到的晶格条纹中，d间距分别为0.35和0.26 nm，这些间距与FeNiSe₂的（2,1,0）和（1,-1,1）晶面相对应。

这一结果与X射线衍射（XRD）分析（见图S2）相一致，从而证实了纯相立方结构FeNiSe₂的成功合成。通过傅里叶变换所识别出的衍射图案与FeNiSe₂的（1,-1,1）、（0,0,1）和（-1,1,1）晶面相匹配。

特别值得注意的是，在FeNiSe₂的表面上可以观察到大量密集分布的亮点，这些亮点很可能是Ir原子。它们可以通过其显著的电子散射效应来识别，并且通过线强度分布分析以及未发现任何Ir纳米粒子或团簇的存在来进一步确认。

DOI：10.1021/jacs.3c13746

电子能量损失谱（EELS）/X射线能谱仪（EDS）：用于获取样品的化学信息，但它们的原理和应用有所不同。EELS能够提供更高的能量分辨率和空间分辨率，尤其适合分析轻元素和低浓度元素的化学状态。

相比之下，EDS则更侧重于元素的定性和定量分析。两者结合使用时，可以更全面地揭示样品的化学组成和结构信息，而不仅仅是单一的结构特征。

清华大学牛志强团队在研究中使用EELS区分晶体和非晶区域，并确认铱的价态和电子环境的变化。它通过检测氧信号仅在非晶区域出现，证实了非晶区域中铱的氧化态，从而验证了晶界区域从金属态转变为非晶的IrOₓ相。

这些结果与HAADF-STEM图像和FFT分析相互印证，为理解富含晶界的铱纳米管在稳定性测试后的结构演变提供了重要依据。

DOI:10.1021/acscatal.4c03746

TEM：如果需要一般形貌轮廓分析、元素分布（结合EDS）和晶体结构分析，低成本的TEM更适合。

HRTEM：HRTEM用来观测晶体内部结构、原子排布以及很多精细结构（比如位错、孪晶等）。但理论与实际总是有差距。想要从HRTEM中得到准确的材料结构信息并非易事。

首先必须保证样品足够薄（弱相位近似）和Scheerzer欠焦条件下拍摄的HRTEM像才能正确反应晶体结构。很多时候还需要利用软件模拟构型，然后再与实际照片比对。

STEM：从成像原理来看，TEM和HRTEM采用的是面照射方式，而STEM则是逐点扫描并收集信号。STEM在结构表征上更为精细。

那么，什么时候需要使用HAADF-STEM呢？当TEM和HRTEM无法满足你的需求时；当你需要观察更精细的结构、更低浓度的成分，或者需要进行线扫描时，HAADF-STEM无疑是更好的选择。