透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）作为现代材料科学和生命科学研究中不可或缺的工具，在纳米科技领域发挥着关键作用。这种强大的显微技术能够将物质的微观结构放大数百万倍，为科学家提供了前所未有的观察尺度。
1931年，德国科学家Knoll和Ruska制造了第一台透射电子显微镜。随着科技的进步，透射电镜在提高其空间分辨率的同时，功能性也得到了极大的发展。
透射电子显微镜的基本构造
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透射电子显微镜（transmission electron microscopy，TEM）主要包括照明系统、样品室、成像系统、真空系统、观察与记录系统等。透射电子显微镜的剖面如下图所示，各系统的部件与功能如下：
（1）照明系统包括电子枪和聚光镜等，用来产生高能电子束并控制电子束的会聚与发散；
（2）样品室包括测角台和电镜样品杆。电镜样品杆用于装载透射电镜试样，测角台用于实现样品在X、Y和 Z三个方向的移动。另外，二者可以对样品进行倾斜和旋转以改变样品的取向；
（3）成像系统包括物镜、中间镜和投影镜等电磁透镜，可实现衍射模式和像模式的切换，以及图像放大功能；
（4）真空系统包括机械泵，扩散泵，涡轮分子泵以及离子泵等多级真空泵。由于原子对电子的散射作用非常强烈，多级真空泵系统可以为高能电子束提供超高真空环境（可达10 -9 Torr），使其可以在镜筒内传播。
（5）观察与记录系统包括覆盖了ZnS涂层的荧光屏和电荷耦合器件探测器（CCD）等结构。荧光屏用于辅助调整样品的取向和位置，以及电磁透镜的参数。CCD用于图像记录。
透射电子显微镜的基本原理
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透射电镜利用高能电子束穿透超薄样品，通过电磁透镜系统放大成像。其分辨率可达0.05纳米，比光学显微镜高出三个数量级。这种超高分辨率使得研究人员能够直接观察到原子排列、晶体缺陷等微观结构特征。
透射电子显微学表征方法
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1.选区电子衍射技术
电子衍射是透射电子显微学中，最基础也是最常用的分析技术，它可以反映出晶体的结构和取向等信息。
衍射花样由透射斑和衍射点组成。透射斑是由未被原子散射，直接穿过样品的电子组成，而衍射点的形成复杂一些。与晶格发生散射后，大量的电子会以各种角度散射到空间中，其中某些特定角度的散射电子具有相同的相位，发生了相长干涉，相干电子波的振幅增大，于是在物镜后焦面处形成了明亮的衍射点。
注：（a）衍射模式光路图。（b）像模式光路图。
3.扫描透射电子显微术
透射电镜通常使用平行光成像，而扫描透射电子显微镜则是将电子束会聚成极小的电子探针，通过多次线性扫描并收集高阶非相干信息来进行二维成像。
扫描过的面积都会放大到计算机显示器中。显示器的大小是固定的，通过减小扫描面积的大小，来提高放大倍率，而图像的分辨率与电子探针的质量密切相关。
电子束的会聚是由电磁透镜实现的，而电磁透镜具有一些缺陷，并不能将电子束完美会聚。存在的缺陷包括：像散、色差和球差等，这些限制了扫描透射电镜的分辨率。
理想情况下，透镜可以将电子束会聚到一点，如下图（a）所示，但以上三种缺陷会导致所有电子无法完美聚焦。
1）像散来源于电镜极靴中磁场的不均匀，但透射电镜中都配备了消像散器，可以减少像散对成像的影响。
2）色差（如下图（b）所示）是单色性较差（电子能量不一致）的电子在相同的磁场下发生 了不同程度的会聚。通过配备单色性好的电子枪或单色器，以及降低样品厚度等方法可以有效提高电子束的单色性。
3）球差，如下图（c）所示，在电磁透镜中，离光轴越远的位置磁场对电子的偏折会更大。球差需要通过球差校正器来消除。
注：（a）理想透镜能将所有电子束聚焦到一点。（b）色差，不同能量（用不同颜色表 示）的电子束聚焦在不同的位置。（c）球差，高角度电子束过度聚焦。
4.电子能量损失谱
根据能量范围，电子能量损失谱（electron energy-loss spectroscopy，EELS） 可分为三个部分，如下图所示，包括零损失峰，低能损失谱和高能损失谱（或芯损失谱）。
零损失峰的半高宽为EELS谱的能量分辨率。低能损失谱的能量范围在0~50 eV，包括声子谱和等离子峰。声子谱反映原子的集体振荡，等离子峰反映自由电子的集体振荡。零损失峰峰强与低能损失峰峰强还可用于估算样品的厚度。高能损失谱源于与原子内壳层电子发生非弹性散射而损失能量的入射电子，反映了样品中原子的化学信息和电子结构，其能量范围通常在50~2000 eV。
由于高能电子束提供了大于等于临界电离能的能量使原子内壳层产生电子空位（这是产生特征X射线、俄歇电子以及可见光等信号的前提），因此，高能损失谱中的电离损失峰与元素的临界电离能对应，其化学位移可以反映出元素价态的变化。
在对高能损失谱进行分析时，首先需要扣除由激发了样品韧致辐射的电子所引起的背底噪声，其次需要以低能损失谱为参照，对高能损失谱进行解卷积处理，从而降低多重散射的影响（与样品较厚有关）。
注：电子能量损失谱
5.原位透射电子显微术
原位透射电子显微分析方法是实时观测和记录位于电镜内部的样品对于不同外部激励信号的动态响应过程的方法。
该方法在继承常规透射电子显微镜（简称透射电镜TEM）所具有的高空间分辨率和高能量分辨率优点的同时，在电子显微镜内部引入力、热、 电、磁以及化学反应等外部激励，实现了物质在外部激励下的微结构响应行为的动态、原位实时观测。
在原位透射电镜中，一般是通过改进电镜的样品台来实现原位检测功能，如在样品台上引入不同的力、热、电、磁等外加信号，或者引入环境气氛。此外，聚焦离子束等技术的发展实现了理想样品的制备，为原位力学等测量提供了实验手段。
案例
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2024年10月21日，深圳大学蔡兴科、德国拜罗伊特大学Francesco Ciucci等人在国际知名期刊Nature Nanotechnology上发表了题为《Out-of-plane coordination of iridium single atoms with organic molecules and cobalt–iron hydroxides to boost oxygen evolution reaction》的研究论文。
本文报道了铱（Ir）单原子与二甲基咪唑（MI）在平面外与钴铁氢氧化物（Ir1/(Co,Fe)-OH/MI）配位的研究。
在这篇论文中，透射电子显微镜（TEM）被广泛用于对催化剂的形貌、结构和元素分布进行表征，为催化剂的性能研究提供了重要的微观信息。以下是TEM在论文中的具体应用：
1.形貌表征
2.元素分布分析
3.结构分析
总结 05
综上所述，透射电子显微镜（TEM）作为探索微观世界的重要工具，其应用范围仍在不断扩大。随着技术的进步，透射电镜必将在材料科学、生命科学等领域发挥更加重要的作用，推动人类对微观世界的认知不断深入。
