读者可系统学习到不同检测需求下TEM的选型逻辑与实操要点，掌握TEM结合 EDS、EELS、Cryo-TEM、球差校正等技术的联用方法，了解TEM在材料科学、生物学、半导体、能源等领域解决 “纳米-原子尺度” 问题的核心价值，为开展精准表征实验与机理研究提供全面参考。
透射电子显微镜（TEM）凭借其纳米级分辨率和多维度分析能力，可对材料的微观结构、成分、晶体特性等进行精准表征，广泛应用于材料科学、生物学、半导体、能源等领域，具体可检测的内容如下，结合技术原理与实际应用场景分类说明：
材料微观结构表征（核心应用）
TEM 通过电子束穿透超薄样品（通常＜200nm），利用电子与原子的相互作用（弹性/非弹性散射）形成明暗衬度，直接观察材料的内部微观形态、缺陷及界面结构，具体包括：
形貌与尺寸分析
1）观察纳米颗粒（如量子点、催化剂颗粒）的粒径分布、形状（球形、棒状、片状等）；
2）表征薄膜材料的厚度、均匀性及表面平整度；
3）分析多孔材料（如 MOFs、介孔硅）的孔隙结构、孔径大小及分布。
图1：TEM用于粒径、形状分析。
图2：TEM及EELS技术用于厚度、均匀性分析。DOI：10.5741/gems.60.1.42
图3：TEM用于孔径分析。ISBN: 978-953-307-792-5
内部缺陷检测
1）识别晶体材料中的位错、堆垛层错、空位、晶界等微观缺陷；
2）分析半导体器件（如芯片）中的界面缺陷（如栅极氧化物与硅衬底的界面态）、金属材料中的疲劳裂纹萌生位置。
图4：TEM用于晶体缺陷分析。DOI：10.1016/j.msea.2023.144905
相分布与界面结构
1）区分复合材料中的不同物相（如合金中的析出相、陶瓷基复合材料中的增强相），观察相的空间分布；
2）解析异质界面（如金属-陶瓷界面、半导体-绝缘体界面）的晶格排列的结构，判断界面结合状态（如是否存在过渡层、晶格匹配度）。
图5：TEM相分布与界面结构分析。DOI：10.3390/met12020184
晶体结构与晶体学特性分析
利用电子衍射效应，TEM 可解析材料的晶体结构、取向及织构，为材料的结晶度、物相鉴定提供关键数据：
晶体结构解析
1）通过选区电子衍射（SAED） 或会聚束电子衍射（CBED） ，获取晶体的衍射花样，确定晶体结构（如面心立方、体心立方、六方密堆积）、晶格参数；
2）对微纳尺度晶体（如有机小分子晶体、MOFs 晶体），结合三维电子衍射（3D ED） 技术，实现原子级别的晶体结构解析（无需依赖 X 射线衍射的大尺寸单晶）。
图6：TEM用于晶体结构分析。DOI: 10.1002/adma.201900060
晶体取向与织构分析
1）通过结合衍射图谱，分析多晶材料的晶粒取向、取向差及织构（如金属材料的轧制织构、薄膜材料的择优取向）；
2）评估晶体取向对材料性能的影响（如半导体材料的取向影响载流子迁移率、金属织构影响力学）。
图7：TEM用于晶体结构分析。
成分与化学状态分析（需配备相应探测器）
结合谱学附件，TEM 可实现微区成分的定性、半定量及化学状态分析：
元素组成分析
1）配备能量色散 X 射线光谱仪（EDS）：对微区（最小分析区域可达 nm 级）进行元素定性（识别存在的元素）、半定量（计算元素相对含量）及分布分析（通过EDS面扫描，获取元素的空间分布图谱）；
2）配备电子能量损失谱仪（EELS）：分析轻元素（如 Li、Be、B）的含量，且能区分元素的化学价态（如 Fe²⁺与 Fe³⁺、C 的 sp² 与 sp³ 杂化）、电子结构（如能带结构、配位环境）。
化学态与键合信息
1）通过 EELS 的近边精细结构（ELNES），分析原子的配位环境（如 O 的配位方式、金属离子的配位数）；
2）对高分子材料或有机材料，结合 EELS 分析化学键（如 C-C、C=O、C-N）的分布，判断材料的化学结构完整性。
图8：TEM用于元素组成、分布和化学状态分析。DOI：10.1038/s41467-018-03316-7
动态过程与原位表征（需配备原位样品杆）
通过配备原位样品杆（如加热、冷却、加电、拉伸、气氛样品杆），TEM 可实时观察材料在外界刺激下的动态变化，揭示结构-性能的动态关联：
1. 原位加热/冷却：观察材料在温度变化下的相变（如金属的融化与凝固、聚合物的结晶与熔融）、晶粒长大、缺陷演化（如位错运动）；
2. 原位加电：对半导体器件（如晶体管）、电池材料（如电极-电解质界面）施加电压，观察电致结构变化（如栅极氧化物击穿、Li 离子脱嵌导致的晶格膨胀）；
3. 原位力学拉伸/压缩：观察材料在应力作用下的变形、裂纹萌生与扩展、位错滑移等力学响应；
4. 原位气氛/液相：在气体（如 O₂、H₂）或液体环境（如电解液、水溶液）中，观察材料的化学反应（如催化剂的原位催化过程、纳米颗粒的溶解/生长）。
图9：TEM样品杆。DOI：10.1007/978-3-319-39877-8
特殊样品的表征（针对敏感或复杂体系）
针对常规电镜难以表征的样品（如电子束敏感材料、液相样品、生物样品），TEM（尤其是冷冻透射电镜，cryo-TEM）可实现无损或低损伤表征：
1.电子束敏感材料：如 MOFs、COFs、有机晶体、聚合物等，通过低剂量成像（减少电子束辐照剂量）结合cryo-TEM（低温冷冻固定样品，抑制辐照损伤），获取材料的本征结构；
2.液相样品：如胶体溶液、乳液、生物分子溶液，通过cryo-TEM的快速冷冻技术（将液体样品固定为玻璃态冰，避免水分蒸发导致的结构破坏），观察液相中的纳米组装体（如胶束、囊泡）、纳米颗粒的分散状态；
3.生物大分子与生物样品：如蛋白质、病毒、细胞超薄切片，用 cryo-TEM 的单颗粒重构（SPA） 技术，解析生物大分子的三维高分辨结构（分辨率可达 0.2-0.3nm），为结构生物学与药物研发提供依据。
TEM的检测能力覆盖 “微观形貌-晶体结构-成分状态-动态过程” 全维度，核心优势在于高空间分辨率（可达 0.1nm 以下） 与微区分析能力，可解决常规表征技术（如光学显微镜、X射线衍射、SEM）难以覆盖的 “纳米-原子尺度” 问题。实际应用中，具体可检测的内容需结合TEM的配置（如是否配备 EDS、EELS、球差校正、原位样品杆）及样品特性（如厚度、导电性、稳定性）综合确定。
本文源自微信公众号：科研小搬砖
原文标题：《TEM可以测什么？》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/WeHjuTxbonQH_t9Flj-z2Q
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