透射电子显微镜（TEM）深度解析：核心原理、关键构成与部件功能

TEM的核心原理是利用电子的波动性（德布罗意波），通过高能电子束穿透样品，经电子光学透镜聚焦成像，从而实现对样品内部微观结构的观察。具体过程如下：

• 电子束的产生与加速：电子枪（如热阴极或场发射源）发射电子，在高电压（通常100~300 kV，甚至更高）加速下获得能量，电子的德布罗意波长随能量升高而缩短（如200 kV下波长约0.0025 nm），远小于可见光波长（400~700 nm），这使得TEM可实现原子级分辨率。

• 电子与样品的相互作用：高能电子束穿透样品时，会与样品中的原子发生弹性散射（电子能量不变，方向改变）和非弹性散射（电子能量损失，方向改变）。部分电子直接透射（未散射），部分则发生不同角度的散射。

• 成像过程：透射电子和散射电子经物镜、中间镜、投影镜等电子透镜聚焦放大，最终在荧光屏或探测器上形成图像。通过选择不同电子信号（如透射电子形成“明场像”，散射电子形成“暗场像”），可观察样品内部的晶体结构、缺陷、相分布等细节。

TEM与SEM的核心区别源于电子束与样品的作用方式及成像原理，具体差异如下：

TEM的结构如图1所示，可分为电子光学系统（核心）、真空系统和控制系统三部分：

图1  TEM主要构成

电子光学系统，通常称为镜筒，其光路原理与透射光学显微镜相似。其结构如图2所示。

图2 电子光学系统（1-发射源，2-阳极，3-光圈，4-聚光器，5-样品室，6-物镜，7-物镜光圈，8-选择光圈，9-中间透镜，10-投影透镜，11-磷屏或胶片）

电子光学系统的组成部分：照明系统（Lighting system）、成像系统（Imaging system）、观测和记录系统（Observation and recording system）。

照明系统

照明系统（Lighting system）：照明系统的功能是产生并调节高能电子束，为成像提供稳定的光源，主要包括电子枪和聚光器。

（1）电子枪：是产生电子束的核心部件，主要分为热发射电子枪和场发射电子枪两类。

• 热发射电子枪是一种通过加热阴极材料（如钨丝或六硼化镧）发射电子的装置，广泛应用于电子显微镜（如透射电子显微镜TEM）和阴极射线管（CRT）中。其核心功能是生成高能电子束，用于成像或显示。由阴极、抑制极和阳极组成，如图3所示。

图3  热发射电子枪

• 热发射电子枪的结构

阴极：通常由钨丝或六硼化镧（LaB₆）制成，通过电流加热至白炽状态（约1200 K），使电子克服材料的功函数逸出。部分设计中，灯丝尖端会暴露特定晶面（如(100)晶面），并涂覆氧化锆涂层以降低功函数，提高电子发射效率。

抑制极：位于阴极下方，是一个带孔的圆柱形电极，用于聚焦电子束并防止电子扩散。通过施加负偏压（通常为-100 V至－1000 V），形成电场约束电子束，使其沿轴向聚焦。

阳极：位于电子枪末端，通过高压电源（通常为几万至几十万伏特）加速电子束，使其获得高速运动。加速后的电子束通过阳极孔离开电子枪，进入成像系统。

其他辅助部件：聚焦极：通过磁场或电场进一步优化电子束的聚焦效果。偏转线圈：用于控制电子束的方向，例如在扫描电子显微镜中实现电子束的扫描。

高电场作用：在金属表面施加极高电场（>10 MV/cm），使电子势垒变窄，电子可通过隧穿效应从金属表面逸出。

尖锐结构：阴极采用微细尖端（直径），如单晶钨或六硼化镧（LaB₆），以增强局部电场强度。

能量散布小：电子发射能量差异小（0.2~0.3 eV），有利于高分辨率成像。

图4  场发射电子枪

• 场发射电子枪的结构（图4）

阴极：冷场发射：单晶钨暴露(310)晶面，功函数低（约2.4 eV），电子可直接被第一阳极拔出。

热场发射：单晶钨暴露(100)晶面，需涂覆氧化锆（ZrO₂）涂层以降低功函数，工作温度为1800 K。

萧基发射：结合热场和冷场特性，通过ZrO₂涂层降低功函数，工作温度为1800 K。

第一阳极：施加正偏压（如+100 V），产生拔出电压，使电子从阴极逸出。

第二阳极：施加更高加速电压（如+10 kV），使电子束加速至高速运动。

辅助结构：栅极保护器：用于抑制热场发射电子枪的热电子发射。静电透镜：优化电子束聚焦。

热发射及场发射电子枪对比情况如表1、2所列。

表1  热发射及场发射电子枪原理对比

表2  热发射及场发射电子枪性能对比

在现代电子显微镜中，新材料六硼化铋镧（LaB₆）有时被用来制作灯丝。这种材料价格较高，但发光效率和亮度很高（可提高一个数量级），其耐用性也比钨丝长很多。

（2）聚光器

高性能透射电子显微镜使用双聚光器系统（图5）。第一个聚光器是一个强激发透镜，可以缩小或调整束斑尺寸，并将电子枪的交叉斑缩小10到50倍。第二个聚光器是一个弱激励透镜，用于调节照明强度。聚光器的作用是减小和调整光斑大小，以最小的损耗调整照明强度和照明孔径的半角。

图5  聚光器系统

成像系统

  成像系统（Imaging system）：是电子光学系统的核心部分，负责将穿过样品的电子束逐级放大并形成图像。其主要构成包括：样品室、物镜、中间镜、投影镜及其他辅助光学部件。

（1）物镜：是用于形成第一幅图像的透镜，因此透射电子显微镜的分辨率主要取决于物镜这一核心部件。物镜是一种激光强、焦距短（f =1~3 mm）的透镜。高质量物镜的分辨率约为0.1 nm，放大倍数一般为100~300倍。

入射电子束穿过样品，经物镜聚焦后在物镜后焦平面上形成衍射图样，在像平面上形成显微图像。物镜的分辨率主要取决于极片的形状和加工精度。极片内孔与上下极片之间的距离越小，物镜的分辨率就越高。

（2）中间透镜：是一种具有弱激发和长焦距的可变倍率透镜。它的功能之一是利用可变放大倍率来控制电子显微镜的总放大倍率；另一个功能是实现透射电子显微镜成像操作与衍射操作之间的转换。

如果中间镜的物平面与物镜的像平面重合，则在荧光屏上获得图像，这称为成像操作；如果物平面与物镜的后焦平面重合，则在荧光屏上获得电子衍射图案，这称为衍射操作（图6）。

图6  成像操作与衍射操作

（3）透射镜：是一种短焦距的强激发透镜。成像电子进入投影透镜的孔径角很小（约 10~5 rad），因此其景深和焦距都很大。由于投影镜的景深大、焦距长，物面和像面的位置可以在一定范围内移动，有利于调整总放大倍数，便于观察和记录。投影透镜的功能是进一步放大中间透镜的图像，并将其投射到荧光屏或照相底片上，以供观察或记录。

观测与记录系统

早期的透射电子显微镜观察和记录系统由荧光屏和照相机结构组成。荧光屏上涂有绿色荧光物质，在暗室条件下，这种物质对人眼更为敏感。它使用对电子束曝光敏感、颗粒极小的电子感光胶片进行记录。胶片曝光时间采用三种方法：自动、手动设置或定时。最新的透射电子显微镜大多配备了CCD成像系统，可将图像输入计算机显示器进行观察；图像可以多种文件格式存储和输出，使图像观察和记录变得非常方便。

1. 样品台（Sample stage）

图7（左）显示了用于支撑粉末样品的支撑膜和铜网。对于晶体样品，样品台应具有三个方向的平移和至少一个轴的倾斜，以便选择观察点和调整晶体方向。

TEM通常配备有非常精确的侧插式样品平移和倾斜装置，称为双倾斜平台[图7（右）]。沿相互垂直的OX和OY方向的平移值为±1 mm；围绕OX轴和OY轴的倾斜度约为±40°。

图7  样品台（左）和双倾斜平台（右）

2.电子束平移和倾斜装置（Electron beam translation and tilt device）

如图8所示，电子束可以通过电磁偏转器进行平移和倾斜。其原理是利用上下偏转线圈进行联动。如果上偏转线圈和下偏转线圈对电子束的偏转角度相等，但方向相反，则电子束可以平移；如果上线圈使电子束偏转一个角度θ，下线圈使电子束向相反方向偏转一个角度（θ+β），那么电子束就会相对于原来的方向倾斜一个角度β。

图8  电子束平移和倾斜装置

3.     散光吸收器（Astigmatism absorbers）

新型透射电子显微镜通常配备电磁式散光吸收器，如图9所示。它由两组四对电磁铁组成，布置在镜头磁场周围，每对电磁铁都是同极相向。如果透镜的磁场出现非旋转对称，则可通过改变两组电磁铁的激励强度和方向来校正椭圆磁场，从而消除散光。

图9  散光吸收器

4. 光阑（Aperture）

聚光孔（Condenser aperture）：用于限制和改变照明孔径的半角和照明强度；双聚光器系统安装在这些秒聚光器下方，孔径为20 ~ 400 μm。

物镜孔（Objective aperture）：它用于减小物镜的球差，选择成像电子束，以获得明场或暗场图像。物镜孔径安装在物镜的后焦平面上，孔径为20 ~ 120 μm。

选区光阑（Selection aperture）：在衍射分析过程中，它限制和选择样品分析区域，以实现选区电子衍射。这些选择光圈位于物镜的像平面上，光圈为100 ~ 400 μm。如果将物镜放大100倍，则相应的样品区域为1 ~ 4 μm。如图10所示。

图10  光阑分布

光阑通常由非磁性金属（铂、钼等）制成。由于隔膜的孔径较小，容易受到污染，因此高性能电子显微镜通常使用防污染隔膜（也称为自清洁隔膜）。其结构如图11所示。孔洞周围的间隙可以防止孔洞的热量轻易散失，而且孔洞通常处于高温状态，不易受到污染。

图11 光阑结构

5. 球面像差校正器（Spherical aberration corrector）

如前所述，电子束波长和球差是限制电磁透镜分辨率的主要因素之一。提高加速电压和降低球差系数C_s是提高电磁分辨率的主要方法。提高加速电压可以减小电子波的波长，从而提高电磁分辨率。然而，过高的加速电压限制了可分析的样品类型，同时也严重破坏了样品的结构。因此，通过降低球差系数C_s来提高电磁透镜的分辨率已成为当前高分辨率透射电子显微镜发展的研究方向。

• 球差校正器的作用

球差即球面像差，是透镜像差之一。无论是光学透镜还是电磁透镜，透镜系统都不可能绝对完美。对于凸透镜来说，透镜边缘的会聚能力强于透镜中心，导致所有光线都无法会聚到焦点，从而影响成像能力。在光学透镜中，凸透镜和凹透镜的组合可以有效减少球差。然而，电磁透镜只有“凸透镜”，没有“凹透镜”。因此，球差已成为影响电子显微镜分辨率的最重要和最难校正的因素。

图12（a）显示的是没有球差校正器的光路示意图。光源发出一束电子束，经过聚光器、聚光孔和物镜后，由于透射电子显微镜物镜不可避免地存在球差，样品中的点在成像过程中会扩散成一个圆盘。

球差校正器的作用可以比作一个凹透镜，它能使电子束通过聚光器后发散，使不同角度的电子束通过物镜后重新会聚到一点，从而消除物镜球差的影响，提高透射电子显微镜的分辨率[图12（b）]。

图12 球差校正器下的光路示意图

• 球差校正器的结构设计

自透射电子显微镜发明以来，科学家们一直致力于提高其分辨率。舍尔策证明，圆形对称的电磁棱镜无法实现电子束的聚光，因此球差校正器的实现必须依赖于电磁棱镜的重新设计。1992年，哈拉尔德–罗斯、克努特–乌尔班和马克西米利安–海德尔三位德国科学家开发出一种多极校正装置，用于调整和控制电磁透镜的聚焦中心，以校正球面像差，最终实现了亚长波分辨率。

多极校正装置通过多组磁镜组逐步调整透射电子显微镜的球差，这些磁镜组具有可调节的磁场，作用于电子束的洛伦兹力（如图13中所示的四极、六极或八极磁场），从而实现亚恒星分辨率。

1990年，罗斯从理论上证明了双六极球差校正器的可行性。1998年，该公司成功研制出世界上第一台TEM球差校正器。这种球差校正器原型安装在飞利浦CM200上，将其点分辨率从0.24 nm提高到0.13 nm，正式将透射电子显微镜行业带入了原子级分辨率的新时代。

图13  四极、六极或八极磁场

• 球差校正器的类型

透射电子显微镜包含多个磁透镜：聚光透镜、物镜、中间透镜、投影透镜等。球差是由磁镜的不完美结构引起的，因此这些磁镜组会产生球差。在校正不同的磁透镜时，会产生不同类型的球差校正透射电子显微镜。

在使用扫描透射模式（STEM）时，聚光器将电子束聚光，扫描样品成像。此时，聚光器的球差是影响分辨率的主要原因。因此，对于主要用于STEM的透射电子显微镜，会在聚光器位置安装球差校正装置，这就是球差校正STEM电子显微镜。

使用普通图像模式时，影响成像分辨率的主要因素是物镜的球差。这种安装在物镜位置的校正器就是球差校正TEM电子显微镜。

当然，也可以在一台透射电子显微镜上安装两个校正器，这就是所谓的双球差校正透射电子显微镜。此外，由于校正器有电压限制，因此不同型号的球差校正透射电子显微镜都有相应的加速电压。

6. 数字成像系统（Digital imaging system）

透射电子显微镜数码成像装置是现代透射电子显微镜不可或缺的关键部件。这种装置在图像成像中起着重要作用，电荷耦合器件（CCD）相机就是一个典型的例子。

CCD摄像机具有强大的自扫描功能，图像清晰度高，可随时捕捉图像。它支持多种合并像素模式。创新的读出技术可完全降低噪点，实现更高的灵敏度和转换效果，使图像质量极高。与传统相机相比，CCD 相机具有体积小、可靠性高、灵敏度高、耐强光、耐振动、耐磁场、失真小、寿命长、图像清晰、操作简便等优点。

CCD相机具有稳定、独立的冷却系统，与透射电子显微镜的真空系统隔离。此外，CCD相机还具有强大的视频图像记录软件功能和工作语言界面。

透射电子显微镜凭借其高分辨率和内部结构分析能力，在材料科学、生物学等领域不可或缺；而扫描电子显微镜则因其表面成像优势，广泛应用于地质学、考古学等研究

什么是球差？

 

 

当孔径增大时，由光轴上一物点发出的光速经球面折射后不再交于一点，如下图所示，这种现象叫做球面像差，简称球差。下图中轴上物点A的共轭像点是A′，但由于透镜球面对光线的会聚能力不同，造成同一物点发出的光线不能都汇聚与A′点，而是会聚在A′点的附近，如点A′₁和A′₂。

上图是侧面剖析图，而在三维空间中是怎样的呢？可以做这样的空间想象：将上图看作是侧视图，考虑从图的前视图进行观察。上图中的A想象成一个小圆，那么在A′处理想成像，则A′是一个与A同样大小的圆，而在A′₁和A′₂处则是大小不同的圆。

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本文源自微信公众号：分析测试技术与仪器

作者：fxcsjsyyq

原文标题：《透射电子显微镜（TEM）：原理及构成》

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/bx8gSBHVG_WgfECOOY-YKw

​​原文发布时间：​​ 2025年7月18日

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