小课堂 | 常做的透射电镜你了解吗？(二）

透射电子显微镜（TEM）类似于光学显微镜，不同的是它的光源换成了钨灯丝（或者六硼化镧）发射的电子源，凸透镜片换成了由电磁场形成的电磁透镜。

透射电镜以电子作为光源，由于电子的穿透性较弱，不能通过玻璃透镜或者其他介质会聚成像。轴对称的非均匀电场和磁场则可以使电子束发生折射，发挥会聚电子束的作用，达到透镜成像的目的。

电镜可以通过改变电磁透镜的电流改变电磁场对于电子束的折射能力，因此通过改变电磁透镜电流大小可以改变透镜的放大倍数或者聚焦能力。

不同透射强度会聚点也不同

样品的聚焦可以通过调节物体的高度和改变电磁透镜的电流两种方式进行聚焦。

球差即球面像差，是指电磁透镜的近轴区域和远轴区域对电子束的聚焦能力不同而引起的像点发散现象。

电磁透镜对远轴光线的会聚能力要高于近轴光线，所以远轴光线的会聚点要近于近轴光线。

球差光路示意图

图中S为点光源，C为透镜的中心，a为远轴形成的会聚点，b为近于近轴光线形成的会聚点。

因此从一个理想的像点S发散出的光线经过电磁透镜后不会再会聚成一个理想的像点，而形成一个模糊的光斑L。

像散是由于电磁透镜的周围磁场不对称，导致电磁透镜径向的会聚能力不一致，从而使像点发散的现象。

像散示意图

像散对成像质量的影响最为关键（物镜像散是电镜使用过程中必须严格控制的因素之一），是影响图像质量的最重要因素之一。

极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、制作极靴的材料材质不均匀，以及极靴孔周围局部污染等原因，都会使电磁透镜的磁场产生椭圆度。这种非旋转对称性磁场会使磁透镜在不同方向上的聚焦能力出现差别。

电子束受不均一磁场影响，在透镜Y平面上的电子束的会聚点由C2移动到C1 位置，而X面的电子束并没有改变，最终呈现椭圆形光斑

影响像散的原因包括：透镜的不对性性；样品本身引起磁场改变从而导致像散；污染物。像散可以通过附加弱磁场的电磁消像散器来矫正。

色差是由于电磁透镜对不同波长的电子波的会聚能力不一样，从而使得像点发散造成的。

在透射电镜中色差主要有以下因素：加速电压的稳定性；电磁透镜励磁电流的波动程度；电子的能量扩散；电子经过样品后能量的丢失。

色差示意图

同一电子束经过透镜同一位置的折射，在光轴的不同位置形成会聚点，最终一个理想的点S变成了一个光斑L。

衬度是指样品中两个相邻部分的电子束强度差。透射电子像的形成取决于入射电子束与材料的相互作用，当电子透过样品表面时，由于样品不同区域对电子的作用不同，透射电子束强度会发生变化，因此透射到荧光屏上的强度会不均匀，体现为亮度的差异，这种强度不均匀的电子像即为衬度像。

所谓质厚衬度，就是因为样品表面不同区域厚度和质量的差异不同导致的衬度差异。

质厚衬度形成示意图

由于样品各部分对电子散射能力不同，通过物镜的透射电子数目也就不同，因而电子束强度会有差异。散射强，透射电子少的区域成像暗，反之成像亮。

如果一种样品各区域厚度基本相同，且平均原子序数差别不大时，它们对电子的散射和吸收大致一致，因而不能利用质厚衬度得到满意的图像反差，可以利用衍射衬度来得到图像。

衍射衬度是晶体样品满足布拉格方程程度不同以及结构振幅不同，因而形成的衍射强度的差异导致的衬度。电子衍射根据衍射衬度成像，由衍射衬度原理形成的电子图像称为衍射衬度像，简称为衍衬像。

衍射像分为明场像和暗场像两种。而衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格条件程度差异以及结构振幅不同而形成的电子图像。它仅属于晶体结构物质，对于非晶体试样是不存在的。所以透射电子显微镜的电子衍射可以用于研究晶体内部缺陷及界面结构。

明场像示意图

比如样品中有两个晶体A和B，调整入射束方向，A不满足布拉格衍射条件，电子束透过时不发生衍射，因而A样品透射束强度等于入射束强度；若B满足衍射条件，则B样品透射束强度会小于入射束强度，因而在荧光屏上，A会比B亮，即为明场像。但若通过调整透镜光栅，使得对应衍射点的电子束通过，而把透射束挡掉，则B会比A亮，也就形成暗场像。

暗场像示意图

明场像（BF）：选用单一透射束形成的衍射衬度像，像清晰。

暗场像（DF）：选用单一衍射束形成的衍射衬度像，像有畸变。

中心暗场像（CDF）：入射电子束对试样倾斜照明得到的暗场像，像不畸变、分辨率高。

中心暗场像示意图

电子束传播过非常薄的试样，试样中原子核和核外电子产生的库伦场会使电子波的相位有起伏，如果能把这个相位变化转变为象衬度，则称为相位衬度。

样品非常薄，小于10nm时，主要是相位衬度。而样品比较厚时，主要形成质厚衬度和衍射衬度。高分辨图像即为一种相位衬度像。