总结：本文详细介绍了透射电镜（TEM）的核心技术体系，包括基本原理、关键优势与技术限制，系统阐述了TEM的成像衬度机制、分辨率相关知识、仪器结构，以及仪器校准与参数设置。
读者可系统学习到TEM的工作机制与仪器操作关键步骤，了解如何根据样品类型优化成像参数以获得高质量微观图像，为开展材料科学、生物学等领域的高分辨率微观表征研究提供全面的技术参考与实操思路。
透射电子显微镜（Transmission electron microscopy，TEM）是一种高分辨率的显微镜技术，用于观察材料的微观结构。TEM通过电子束穿过样品，与样品中的原子相互作用，形成图像，可以分辨非常小的结构细节（高分辨)。不仅能用于研究材料的晶体结构、相变、缺陷等，还可以观察细胞、细胞器和生物大分子的结构，以及了解催化剂的形貌和活性位点。TEM技术在材料科学、生物学、化学等领域有着广泛的应用。
TEM是通过在高真空环境中用电子束照射样品来生成图像，检测透过样品的电子，就可以形成图像。通过TEM成像，在更微观的层面，我们可以看到晶体样品中的原子柱和理解细胞内的分子机制。
图2 皮影戏人物剪影
图3 照明灯成像与TEM电子束成像的简单类比
在电子没有穿过样品的区域，图像是暗的。在电子未散射的区域，图像较亮，在两者之间有一系列的灰色衬度，这取决于电子与样品的相互作用以及被样品散射的方式。
常规TEM放大倍率可达1,000,000倍，分辨率低于0.1纳米，高性能的TEM可以达到约0.05纳米的分辨率。
此外，在TEM图像上必须有一个标尺刻度条，以便计算图像中结构的实际尺寸。
1 TEM的主要优势
与光学显微镜相比，TEM 有三个关键优势：
图1 增材制造的镍基超级合金中的位错。
图2 叶绿体内的结构。
图3 在主晶带轴上拍摄的晶体样本衍射图样（左图）。昆士兰大学Roger Wepf 。定量会聚束电子衍射图案（右图）。西澳大利亚大学Andy Johnson 。
图5. BiFeO3和SiTiO3之间界面的EDS谱。
2 TEM的技术限制
TEM的主要优点是能达到很高的放大倍率，可用于详细检查试样的结构、成分和晶体特性。TEM广泛应用于生物和医学科学、材料科学、地质学、环境科学、纳米技术和蛋白质研究等领域，可用于研究亚细胞成分、病毒、金属、陶瓷和矿物的形态、结构和局部化学。也可以通过衍射图样、特征X射线和电子能量损失分析来研究晶体结构、取向以及相、沉淀物和污染物的化学成分。
ØTEM 不能拍摄彩色图像。有时会在拍摄 TEM 图像后人为的添加颜色。
ØTEM 无法通过厚样品成像：通常样品厚度约为 100-200 纳米。电子无法轻易穿透厚度远大于200 纳米的部分。
总的来说，TEM样品制备要求高，样品需要非常薄，通常在纳米级别，制备过程复杂且容易引入电子束损伤，高能电子束可能会对样品造成损伤，影响观察结果。成像深度有限，只能观察样品的表面或很薄的区域。复杂的操作和维护，需要专业知识和技能进行操作和维护。成本较高，设备昂贵，维护成本也较高。对样品的要求高，某些样品可能不适合TEM观察。信号解释难度高，获得的图像和数据需要专业知识进行解释。
3 TEM的成像与衬度
TEM的各个组件呈长镜筒排列，电子枪位于顶端。电子枪产生的电子束通过一系列电磁透镜沿镜筒向下穿过样品，到达底部的电子探测器（输出图像）。
电子束在穿过样品的过程中，材料的某些部分比其他部分更容易阻挡或偏转电子。电子从样品下方被收集到磷光屏幕上或相机上。在电子没有穿过样品的区域，图像是暗的。在电子未散射的区域，图像较亮，在这两者之间有一系列的灰色，这取决于电子与样品的相互作用和被样品散射的方式。
图7 电子束与样品的相互作用
透射电镜图像的衬度主要包括以下几种：
质量厚度衬度：由于样品不同区域的质量厚度差异导致的衬度。质量厚度较大的区域显得较暗，而质量厚度较小的区域显得较亮。
衍射衬度：当电子束通过晶体样品时，由于晶体的衍射作用，不同晶面的衍射强度不同，从而产生的衬度。
相位衬度：基于电子波的相位变化产生的衬度，主要用来高分辨成像。当电子波通过样品时，由于样品的厚度、密度、原子序数等因素的不同，电子波会发生相位延迟或超前。这种相位变化会导致电子波在样品出射面处形成干涉条纹，从而产生相位衬度。
TEM 的原子序数衬度可以在 STEM 模式下实现，但也可以在其他模式下观察到。在 STEM 模式下，由于不同原子序数的元素对电子的散射能力不同，这会导致图像中不同区域的亮度差异，从而产生原子序数衬度。
然而，原子序数衬度并不局限于 STEM 模式。在传统的TEM成像模式中，如明场成像或暗场成像，也可以观察到原子序数衬度。这是因为原子序数的差异会影响电子的散射和吸收，从而影响图像的对比度。
此外，还有一些其他技术和方法可以增强或突出原子序数衬度，例如使用能量过滤TEM（EFTEM）或Z 衬度成像等。
在透射电镜（TEM）中，电衬度可以通过电子能量损失谱（EELS）检测，EELS 可以测量电子在穿过样品时的能量损失。不同的电学性质会导致不同的能量损失，从而产生电衬度。通过分析EELS 谱，可以获得有关样品电学性质的信息。
磁衬度可以通过洛伦兹显微镜检测，它利用电子束在磁场中的偏转来产生磁衬度图像。当电子束穿过磁性材料时，由于磁性材料的磁化方向不同，电子束的偏转程度也会不同。这种偏转差异会导致电子束在图像平面上的聚焦位置发生变化，从而产生磁衬度。
通过测量电子束的偏转程度，可以获得关于磁性材料的磁化方向、磁畴结构等信息。洛伦兹显微镜可以提供高分辨率的磁衬度图像，对于研究磁性材料的微观结构和磁性行为非常有用。
在使用洛伦兹显微镜进行测量时，需要注意以下几点：样品制备：磁性材料的表面质量和厚度对测量结果有影响，需要进行适当的样品制备。
磁场校准：磁场的强度和均匀性需要进行校准，以确保测量的准确性。
这些衬度机制相互作用，共同决定了透射电镜图像的细节和特征。通过对衬度的分析，可以获取有关样品的微观结构、化学成分、晶体取向等信息。不同的实验条件和样品特性可能会对衬度产生影响，因此在解释透射电镜图像时，需要综合考虑多种因素。
4 TEM的分辨率
分辨率和放大率的概念经常被混淆。分辨率是分辨物质结构相邻特征细节间距的参数。TEM的分辨率是在电镜图像上能分辨的最小结构细节间距。
一般来说，分辨率越高，放大倍数就可以越大，而图像仍然保持清晰。但是，放大倍数也受到其他因素的影响，例如显示设备的物理尺寸、像素密度、显示技术等。因此，分辨率和放大倍数之间存在一定的关系，但具体的关系取决于具体的情况。
根据上述公式，加速电压越高，电子的波长就越小，可能达到的分辨率就越高。
图8 常规TEM的（a）阿贝成像原理及（b）理论分辨极限示意
尹美杰,健男,张熙,等.透射电子显微镜空间分辨率综述[J].深圳大学学报:理工版, 2023, 40(1):13.
其中，R 为光路系统的理论分辨极限（或瑞利分辨极限）；M为物镜的放大倍数；λ为电子枪发出的电子束波长，其值取决于电镜的加速电压；β为物镜的收集角，其值取决于物镜尺寸、像差和物镜光阑。
在电子显微学发展过程中存在过多个分辨率概念，不仅有理论分辨极限、还有CTEM模式下的点分辨率、Scherzer分辨率、信息分辨率、以及STEM模式下的分辨率。
当低阶物镜球差被完全校正后，点分辨率与信息分辨率非常接近，信息分辨率可被看作仪器分辨能力的指标。
尹美杰,健男,张熙,等.透射电子显微镜空间分辨率综述[J].深圳大学学报:理工版, 2023, 40(1):13.
4.1 影响TEM分辨率的主要因素
在过去的 300年中，玻璃镜片已经发展得近乎完美，而电磁透镜却相当不完美。电磁透镜至少有10种缺陷，但对TEM性能有重大限制的缺陷主要是：球面像差（也称球差），色差，像散。
球差和色差限制了传统TEM的分辨率。在使用静态旋转对称电磁场时，这两种缺陷都不可避免。
球差是决定物镜性能的最重要因素。对于较厚的样品，色差会更严重。为减少这一问题，最好制作更薄样品。像散会影响图像的聚焦能力，但完全可以矫正。
球差是由于透镜场对离轴光线的作用不均匀造成的。换句话说，与光轴“平行“但距离光轴不同的光线无法汇聚到同一点。电子越偏离轴线，就越强烈地向轴线弯曲。因此，点状物体被成像为一个大小有限的圆盘，这限制了放大细节的能力。
图8 球差对分辨率的影响
其中 Cs 是特定透镜的常数，称为球差系数，β是物镜光阑的最大会聚半角。根据这一推导，Cs 具有长度维度，通常近似等于焦距。在TEM中焦距通常约为3 毫米，但在HRTEM 中则远小于1毫米。
像差最小化的方法之一是使用短焦距透镜（即球差系数小的透镜）。
图9 球差对点光源的影响。中心左侧的图像向内侧散焦；中心右侧的图像向外侧散焦。
入射电子束中的ΔE 。对于大部分穿过 50-100 nm厚样品的电子来说，ΔE 通常为15-25eV。样品越厚，色差越大，因为非弹性散射电子的比例越高，可能会受到色差的影响。
像散：当电子束横截面不是完全圆形时，就会产生像散。
5 TEM的结构
真空系统：真空非常重要，因为空气中的微粒会使电子束中的电子轨迹发生偏转。这反过来又会影响最终图像的质量，降低分辨率和信噪比。
电子枪：电子枪产生电子束。它通常位于镜筒的顶部。电子枪有几种不同的类型，六硼化镧，肖特基热场和冷场电子枪，电子枪的种类将决定仪器的最终分辨率。
镜筒：由顶部的电子枪组件、装有一组电磁透镜的镜筒、窗口和气闸以及一组可在电子束路径中移动的光阑组成。镜筒内处于真空状态。用户可以轻松地将光阑从电子束路径上移开。这对于成像过程中物镜和选定区域衍射的操作非常重要。
光阑位于光阑带内，光阑带通常由钼条组成，内含一系列不同大小的孔，可对电子束进行不同程度的精确调制。
图8 冷阱cold trap的位置
电磁透镜:电磁透镜可对电子束进行塑形。由于电子束带负电，因此电磁力可用作透镜。线圈环绕电子束，并产生一个场，对电子产生偏转力。每个透镜都由一个铜线线圈构成，电流通过线圈。中心有一个孔，电子束从孔中穿过。磁透镜允许用户改变电子束的放大倍率和焦距。
电磁透镜是一个圆柱形对称的软铁芯（极靴），上面钻有一个孔（光阑）以及环绕每个极靴的铜线线圈。当电流通过线圈时，就会在孔中产生磁场。磁透镜中的磁场强度可以控制光线路径，使偏离轴线的光线重新聚焦。
线圈的电阻会产生大量的热，意味着透镜必须冷却，因此水冷系统是 TEM 透镜的重要组成部分。
图9 TEM样品杆示意图
将样品杆插入镜筒后，会抽上真空，这可能需要几分钟。为了保持清洁，在机器外时要将样品杆放在一个套筒中。
捕捉图像：图像投射到观察室的屏幕上，双筒望远镜可用于聚焦图像。双筒望远镜配有一个微型屏幕。观察室内的主屏幕仅用于电子束对准和测量试样。要采集永久图像，可将照相机插入电子束路径中，这样就能以数字形式收集图像。对于位于观察屏下方的相机和探测器，可以将整个荧光屏从电子束路径中倾斜出来。
图10 捕捉图像的不同的模式：荧光屏或照相机
探测器：TEM上可使用多种探测器。多年前，图像记录在胶片上，但现在使用安装在观察屏上方或下方的电子探测器（照相机），以数字方式记录图像。衍射信号探测器通常安装在观察屏上方，而高分辨率成像探测器通常使用安装在观察屏下方。
几乎所有的TEM都有扫描模式（STEM），STEM探测器安装在观察屏的正上方。先进的能量损失谱探测器（EELS）安装在观察屏下方，这属于专用设备。此外，还可以使用EDS检测元素，其工作方式与SEM中的技术非常相似，EDS 探测器位于试样上方。
图11 EDS探测器/STEM探测器/EELS探测器的安装位置
6 TEM图像形成机理
图12 TEM图像的形成过程
在形成主像的过程中，物镜会在其后焦平面产生衍射图样。后焦平面的位置与物镜光阑的位置相同，人们通常使用光阑的边缘来聚焦衍射图样。
图13 物平面、像平面、焦平面示意图
6.1 明场像
图14 左图是二氧化硅多层涂层的明场TEM图像。右图显示原生动物的纤毛。
6.2 暗场像
图15 铝合金暗场像示例。左上角显示的是明场像，右上角显示的是暗场模式下的同一区域，突出显示了沉淀物的一种变体。左下方的图像显示暗场像用于突出显示颗粒周围的局部应变场。右下图为同一区域的衍射图样。图片由莫纳什电子显微镜中心 Matthew Weyland 提供。
6.3 衍射花样
图16 镁合金中准晶体的选区衍射图样。
7 TEM仪器校准
成像前，首先要校准仪器，使电子束从镜筒中心穿过。与SEM一样，电子束也需要进行像散校正，并正确设置焦点。下面将解释TEM的基本校准内容。
7.1 聚光镜中心
图17 聚光镜光阑要居中
接下来要进行的校准是确保通过聚光镜孔的电子束是圆形的，而不是椭圆形的。如果电子束截面不是圆形，则出现像散。当主电子束中的电子围绕光轴旋转时，会受到不均匀磁场的影响，从而产生像散。
像散有多种原因。造成像散的原因是，构成电磁透镜的软铁极片无法制造成完美的圆柱对称。软铁还可能存在微观结构上的不均匀性，从而导致磁场强度的局部变化。
如果透镜的光阑没有精确地围绕轴线居中，可能会干扰磁场。此外，如果光阑不干净，污染会导致电荷积累，并以意想不到的方式使电子束偏转。
图18 消像散器的位置及结构示意图
7.2 优中心（ eucentric）位置
优中心位置是物镜的水平中心，样品必须调到这个位置。为此，整个样品架都要升高或降低。
TEM 的设置方式是将放大倍率、相机长度和正确对焦设置在此参考位置。当样品高度（Z 轴方向）设置在优中心位置时，样品可绕其轴线倾斜，而不会在投影屏幕上移动。
图19 正确的优中心位置示意图
图20 样品需要放在正确的优中心位置
7.3 聚焦
图22 聚焦不足和聚焦过度的判断经验
7.4 物镜光阑与校准
使用物镜光阑的主要原因是为了增加试样的衬度。左边的图像是在没有插入物镜光阑的情况下拍摄的，右图插入了物镜光阑。请注意右图的衬度有所提高。有多种物镜光阑大小可供选择：光阑越小，衬度越大，图像越暗（因为图像中排除的电子越多）。
图23 物镜光阑大小对图像衬度的影响。最小光阑衬度更高。
图24 无定形碳的傅立叶变换图像。左图显示无像散，中图显示x方向像散，右图显示x和y像散。
8 理解TEM的参数设置
下面列出了针对不同样品类型的仪器参数设置。
根据样品的稳定性和所需的图像细节，选择适当的曝光时间。较短的曝光时间可以减少样品的损伤，但可能导致图像噪点增加。较长的曝光时间可以获得更清晰的图像，但可能会导致样品过度曝光。可以进行试验曝光，然后根据结果调整曝光时间。例如，可以先尝试曝光1秒，然后根据图像质量进行调整。
根据你的实验目的选择合适的图像模式。常见的图像模式包括明场、暗场和衍射模式。明场图像可以显示样品的形貌和结构特征，暗场图像可以突出样品中的特定结构或缺陷，衍射模式可以用于分析晶体结构。
对于生物类样品，使用100keV的电压。设置电子束电流为15μA。采用薄切片技术。选择明场成像模式。控制曝光时间在较短范围内。
本文源自微信公众号：老千和他的朋友们
原文标题：《透射电镜（TEM）技术解读》
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