总结：本文全面介绍了透射电镜TEM的核心知识体系，包括发展历程、基本原理、核心构造、成像机制与衬度类型，详细阐述了选区电子衍射技术及针对粉末、块状、高分子等不同类型样品的制备方法，同时提及TEM的应用价值。
读者可系统学习到TEM的理论基础、仪器构造及样品制备实操要点，了解如何通过TEM实现材料微观形貌观察、物相分析、晶体结构解析及缺陷检测，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且深入的技术参考。
透射电子显微镜
透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种将经加速和聚集的电子束透射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射的显微镜。散射角与试样密度和厚度有关，故可形成明暗不等的图像，图像经放大和聚焦后显示于成像器件（例如荧光屏、胶片和感光耦合组件等）的显微镜。
透射电子显微镜主要用于观察小于0.2微米的细微结构，即亚显微结构或超微结构。相比之下，光学显微镜下无法看清这些结构。为了清晰地观察到这些构造，需要选用较短波长光源来提高显微镜分辨率。因此，1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM分辨力可达0.2纳米。
透射电子显微镜不仅可以用于观察样品的表面结构，还可以用于研究材料的物理性质、化学性质等。它是材料科学、生物学、医学等领域中非常重要的研究工具之一。
透射电子显微镜的发展历程
电子显微镜的发展起源于阴极发射式电镜。早在1932年，布吕彻和雅哈索就已经设计出了一种只能观测阴极的电镜，它具有一级放大功能。这种电镜中，发射电子的阴极是研究的对象，其发射的电子通过一定的几何光学系统后给出阴极的像。像的明暗取决于物面上的发射分布，因此通过研究发射分布就能了解物面的结构情况。然而，由于绝大多数物体都不能发射电子，因此阴极发射式电镜的应用具有很大的局限性。
为了解决这个问题，人们开始尝试让电子束通过被研究的物体来研究物体的结构，这就是透射电子显微镜。1947年，海勒和朗勃将消象散器应用于电镜，将电镜分辨率提高到了1nm。但是，为了使电子束穿过被研究的物体，不仅要求电子束具有足够大的能量，同时还要求物体具有极小的厚度。历史上由于样品制备上的困难，物理学家和金属材料学家较晚才开始运用透射电子显微镜技术。
在1955年以前，电镜的基本功能还只限于显微放大。它在固体材料上的应用也局限于用表面复型技术观测材料的表面，这种方法只能间接了解固体的表面状况。然而，1956年赫尔许等成功地制出100～200nm薄的样品试样，先后在不锈钢中和铝中看到了位错。从此，透射电子显微学引起了人们极大的兴趣，迅速发展成直接观察样本缺陷的有力工具，从复型技术到透射技术的转变是电子显微学发展史上一个重要的转折点。
随着时间的推移，电子显微镜技术得到了不断的发展和完善。1956年，门特发明多束电子成像，开创了高分辨率电子显微术，可以观察到1.2nm的条纹。1971年，日本和法国先后建成了超高压电镜，最高加速电压可达3000kV，分辨率为2nm。1986年诺贝尔物理学奖一半授予鲁斯卡，以表彰他在电子光学领域做的基础性工作，以及设计了第一台电子显微镜。1990年，球差校正器应用于飞利浦CM200STEM，分辨率优于0.14nm。1995年，日立公司制成新型超高压透射电子显微镜，加速电压3000kV，分辨率提高到0.14nm。2008年，美国能源部国家电子显微镜中心在FEI电镜的基础上装配了TEAEM05，分辨率达到0.05nm。
在过去的几十年间，透射电子显微镜得到了快速的发展并为科学技术的进步起到了重要的推动作用。目前电子显微镜技术发展迅速还先后出现了扫描透射电子显微镜（scanning transmission electron microscopy, STEM）和超快透射电子显微镜（ultrafast transmission electron microscopy, UTEM）；冷冻透射电子显微镜（frozen transmission electron microscopy, FTEM）；原位透射电子显微镜（in-situ transmission electron microscopy, in-situ TEM）；球差校正透射电子显微镜（spherical aberration-corrected transmission electron microscopy, CTEM）等新型电镜已经将透射电子显微镜技术和其应用前景推上了一个新的台阶。
TEM基本原理与构造
电子与物质的相互作用
➢TEM(Transmission electron microscope)是以波长极短的电子作为照明光源，以电磁透镜聚焦透过样品的电子而成像的电子光学仪器。
➢TEM可以在原子尺度直接观察材料的内部结构，而且能同时进行材料晶体结构的电子衍射分析，可以获得材料的物相及晶体结构信息。
➢TEM可配置的X射线能谱(EDS)、电子能损谱(EELS)等测定微区成分的附件。
1. 电子光学原理
从功能和工作原理上讲，电子显微镜和光学显微镜是相同的。其功能都是将细小物体放大到肉眼可以分辨的程度；工作原理都遵从射线的Abbey成像原理。
电子显微镜成像的物理光学原理
电子显微镜和光学显微镜的比较
这里解释一下景深和焦深：
景深可定义为保持像清晰的前提下，透镜物平面所允许的轴向偏差，用Df表示。焦深可定义为在保持像清晰的前提下，透镜像平面所允许的轴向偏差。
电磁透镜的大景深有利于实现图像的聚焦操作；长焦深使得聚焦的图像在荧光屏上下十几厘米放置的照相底片或数码相机上所拍摄的图像也将是清晰的。
2. 结构、成像原理
透射电镜的结构原理是：由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之汇聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的汇聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和第1、第2投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。
透射电镜的基本构造
（1）电磁透镜
用电磁场做成的透镜称为“电磁透镜”,可使电子束聚焦成像。
电磁透镜原理
当铜线圈通电时产生磁场，穿过线圈的电子在磁场的作用下将作圆锥螺旋近轴运动；而一束平行于主轴的入射电子通过电磁透镜时将被聚焦在主轴的某一点。
（2）聚光镜
用来汇聚电子枪发射出的电子束以照明样品、调节照明强度、照明孔径角和束斑尺寸。高性能TEM都采用双聚光镜系统。
第一聚光镜为一个短焦距强磁透镜，其作用是缩小束斑，通过分级固定电流，使束斑缩小率为10-50倍，将电子枪第一交叉点束斑缩小到1-5微米；（主要用来控制电子枪的交叉）
第二聚光镜是一个长焦弱磁透镜，以致它和物镜之间有足够的工作距离，用以放置样品室和各种探测器附件，第二聚光镜又将汇聚斑放大2倍左右，以得到近乎平行光轴的照明电子束，在样品平面束斑尺寸约为2-10微米。（主要用来控制束斑尺寸以及汇聚角的大小）
（3）聚光镜光阑
在第二聚光镜的下方，常安装有不同孔径的活动光阑称为聚光镜光栅，用来选择不同照明孔径角。
（4）样品室
样品室位于聚光镜和物镜之间。它的主要作用是通过样品台承载样品，并使样品能作平移、倾斜、旋转，以选择感兴趣的样品区域或晶体位向进行观察分析。
在特殊情况下，样品室内还可分别装有加热、冷却或拉伸等各种功能的样品座，以满足相变、形变等过程的动态观察(即原位TEM)。
透射电镜的样品是放置在物镜的上下极靴之间，由于这里的空间很小，所以透射电镜的样品也很小，通常是直径3mm的薄片。
成像原理
TEM的成像原理可分为三种情况：
A.吸收像：当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。
B.衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射波的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。
C.相位像：当样品薄至100Å以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。
（5）物镜
用来获得第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。电镜的分辨率主要取决于物镜，必须尽可能降低像差。放大倍数为100-300倍。
（6）物镜光阑
装在物镜背焦面的可变孔径光阑，孔径20-120微米，无磁金属制成（Pt、Mo等)。
作用：提高像衬度；进行明暗场成像。
（7）选区光阑
装在物镜像平面上的可变孔径光阑，孔径20-400微米。
作用：对样品进行微区衍射分析。
（8）中间镜和投影镜
中间镜和投影镜的作用是将来自物镜的初级像及衍射谱逐级放大，最后成像于荧光屏上。其结构与物镜基本相似。
中间镜是长焦距弱磁变倍率透镜，放大倍数可调节0-20倍。
作用: 控制电镜总放大倍数；
成像/衍射模式选择投影镜是短焦距强磁透镜，可进一步放大中间镜的像及衍射谱。投影镜内孔径较小，使电子束进入投影镜孔径角很小。
TEM放大倍数：MT = MO× MI ×MP。
其中MO、MI、MP分别是物镜、中间镜和投影镜的放大倍数。
3. 成像系统的两种基本操作
透射电镜工作时，电子枪会提供一束亮度高、相干性好以及束流稳定的照明源，通过聚光镜的控制可以实现从平行照明到大汇聚角的照明条件。为满足中心暗场成像的需要，照明电子束可在2°至3°范围内倾斜。然后电子束会穿透试样室内的有一定厚度的样品，便产生衍射现象，除零级衍射束外，还有各级衍射束，经过透镜的聚焦作用，在其后焦面上形成衍射振幅的极大值，每一个振幅的极大值又可看作次级相干源，由它们发出次级波在像平面上相干成像。
通过物镜、中间镜和投影镜的分级放大，最终投影到荧光屏上，通过观察窗，我们就能观察到荧光屏上呈现的电子显微像和电子衍射花样了。
对于透射电镜，改变中间镜的电流，让中间镜的物平面调整到与物镜的像平面重合，就可看到像，反之，使中间镜的物平面调整到与物镜后焦面重合，可得到衍射谱；
如图所示：
选区电子衍射与TEM像衬度
1. 选区电子衍射
TEM的最大特点是既可以得到电子显微像又可以得到电子衍射花样。晶体样品的微观组织特征和微区晶体学性质可以在同一台仪器中得到反映。
在TEM成像过程中，利用选区光阑（孔径可变），在物镜的像平面上套住感兴趣区域，只让来自感兴趣区域的成像电子通过选区光阑，而来自其它区域的电子则被选区光阑挡住，转换到衍射模式，便可得到该微区的晶体产生的衍射花样。
如图所示：
2. TEM像衬度
衬度是指在荧光屏或照相底片上，眼睛能观察到的光强度或感光度的差别。由于图像上不同区域间存在明暗程度的差别即衬度的存在，才使得我们能观察到各种具体的图像。
TEM衬度有三种基本类型：质厚衬度、衍射衬度、相位衬度、Z衬度；
（1）质厚衬度
试样不同微区之间原子序数或厚度存在差异造成的显微像上的明暗差别叫质厚衬度。非晶态物质试样（如高分子和生物样品——样品厚度大于10nm）的衬度只有质厚衬度。
注：在物镜的背焦面上放置小孔径光阑（物镜光阑），可增加衬度。
（2）衍射衬度
在观察结晶性试样时，假定有2个晶粒A和B，如果在入射电子束的照射下，B晶粒的某一晶面组（hkl）与入射方向相交正好成布拉格角，其余晶面与布拉格角条件有较大的偏差，这样B晶粒（hkl）晶面组产生的衍射电子束聚焦在物镜的背焦面上。如果在这个平面上加上一个光阑，把B晶粒的hkl衍射束挡掉，而只让透射束通过并到达图像平面，结果透射束减弱了。这样一来，在图像中B晶粒较暗而A晶粒较亮。
这种由于晶体试样内不同部位满足衍射条件的差异而造成的衬度就称为衍射衬度，以衍射衬度机制为主而形成的图像称为衍衬像。
衍衬像的类型：明场像和暗场像
◆挡掉衍射束后由透射束形成的图像称为明场像，明场像的强衍射区暗，无/弱衍射（背景）亮。
◆如果移动物镜光阑只让衍射束通过而挡住透射束，所形成的图像称为暗场像。暗场像的衍射特征与明场像相反，强衍射区亮，无/弱衍射区（背景）暗。
◆多晶样品由于取向不一致，成像明暗不同。暗场像的衬度要明显高于明场像，明暗场图像对比方便进行物相鉴定和缺陷分析。
◆衍射衬度仅对于结晶材料，对非晶试样是不存在的。
铝合金中位错分布形态的衍衬像明场像（左）和暗场像（右）
（3）相位衬度
入射电子束中的电子在与试样中原子碰撞过程中产生散射，相位衬度的本质是试样的各个原子散射的次波干涉效应引起的，散射电子波与入射电子波产生相位差，在像平面上干涉而形成的衬度称为相位衬度图。
因此在物镜的后焦面上插入大的物镜光阑，可以使使两个以上的波干涉成像，适用于测试很薄的晶体试样（约等于10nm），这是高分辨电子显微像的衬度。
（4）Z衬度
Rutherford向前散射是非相干散射，它可以被用来形成超高分辨晶体图像，这种图像的衬度与原子序数Z2成正比，而不是来自样品的其它结构信息。
TEM样品制备技术
可供TEM观察的样品很多，有已经成型的金属材料和非金属材料，也有小到几十纳米的粉末颗粒，亦有只有几个纳米厚的薄膜，还有生物等有机材料。
传统TEM测试对样品的要求：
（1）样品要足够薄，粉末样品尺寸小于0.2微米，薄膜样品厚度小于0.1微米。
（2）在高真空中能保持稳定。
（3）不含有水分或其它易挥发物，含有水分或其他易挥发物的试样应先烘干除去。
（4）避免磁性颗粒，或者对磁性试样预先去磁，以免观察时电子束受到磁场的影响。
样品架：
样品架的作用是承载样品，并使样品能作平移、倾斜、旋转，以选择不同样品区域进行观察分析。TEM的样品是放置在物镜的上下极靴之间，这里的空间很小，因此TEM的样品也很小，通常是直径3mm的薄片。直径3mm的薄膜样品或载网（上面分散有样品）被固定在顶端，样品架再插入TEM样品室。
粉末样品：
各种粉末状材料或者脆性可研磨成粉末的材料，将其分散在一定的分散剂中，超声分散后滴到载网支持膜上。
研磨——超声分散——载网
（1）支持膜组成：载网+薄膜；
金属网上面为有机层，化学成分为聚乙烯醇缩甲醛，又叫方华膜，最上面为一层碳膜。碳层的引入能够增强载网的导电性和导热性，其厚度一般为7-10nm,从制作成本和使用效果看，这种碳支持膜最经济实用，是最常用的粉末样品载网，膜总厚度通常为10-20nm。
（2）载网分类：
材质不同：铜网，镍网，尼龙网，钼网等；
孔径不同：75目，230目，300目，430目等；
孔形不同：方孔，圆孔。
载网上覆盖的薄膜材料要求：
A.本身没有结构，对电子束的吸收不大；
B.本身颗粒度要小，以提高样品分辨率；
C.本身有一定的力学强度和刚度，能忍受电子束的照射而不致畸变或破裂。
常用的支持膜材料有：火棉胶（硝化纤维素）、碳、Formvar（聚乙烯醇缩甲醛）等。
（3）TEM制样步骤：
A.选择高质量的碳膜铜网或微栅网（直径3mm）；
B.用镊子小心取出铜网，将碳膜面朝上，轻轻平放在白色滤纸上；
C.取适量的粉末和乙醇分别加入小烧杯，进行超声振荡10~30min，用玻璃毛细管吸取粉末和乙醇的均匀混合液，然后滴2~3滴该混合液体到铜网上。（或者捞取）；
D.等待15 min以上，乙醇挥发完毕后将样品装上样品架插入电镜。
氧化锆粉体；沙尘暴颗粒；碳纳米管
块状样品：
（1）金属及无机非金属材料
流程：机械切割→平面磨→预减薄→最终减薄
低合金钢的微观形貌（电解双喷制样）
低合金钢的纳米析出物（离子减薄制样）
高分子样品：
采用超薄切片法：
超薄切片分为两大类，一类是常温超薄切片：主要应用于较硬的高分子材料，如PP、PS、PMMA和工程塑料等；另一类是冷冻超薄切片，主要应用于软材料如软塑料和橡胶等，在低于其玻璃转变温度时进行切片（温度越低、块越硬）。
过程：裁样/包埋→修样→制刀→装样品→装刀→注水→定位→设定参数→切片→捞取样品→复位→关机。
修 样
装样品
TEM样品染色：
大多数聚合物由轻元素组成。在用质厚衬度成像时图像的反差很弱，因此，由超薄切片得到的试样还不能直接用来进行透射电镜的观察，还需要通过染色来改善衬度。
用一种含重金属的试剂对试样中的某一相或某一组分进行选择性的化学处理，使其结合或吸附上重金属，从而导致其对电子的散射能力有明显的变化。高分子材料多采用四氧化锇和四氧化钌染色。
薄膜样品的制备比支持膜法复杂和困难得多。之所以采用如此繁杂的制备过程，目的全在于尽量避免或减少减薄过程引起的组织结构变化，所以我们力求不用或少用机械方法。只有确保在最终减薄时能够完全去除损伤层的条件下才可使用(研究表明，即使是最细致的机械研磨，应变损伤层的深度也达数十微米)。
薄膜样品制备方法要求：
（1）不引起材料组织的变化；
（2）足够薄，否则将引起薄膜内不同层次图象的重叠，干扰分析；
（3）薄膜应具有一定的强度，具有较大面积的透明区域；
（4）制备过程应易于控制，有一定的重复性、可靠性。
历史文章：
本文源自微信公众号：理工学吧
原文标题：《透射电子显微镜——TEM详解》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/FZez8aOtu63oItwjtfPIPQ?search_click_id=13711735423049348577-1757901097298-0905925196
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