原子结构与晶体对称性分析
TEM最基本且广泛的功能是原子级结构解析。在高分辨TEM（HRTEM）模式下，电子束在穿透晶体时形成干涉图样，可直接表征晶面间距、晶格排布及原子尺度构型（如图1所示）。该成像模式可揭示晶体中畸变区、堆垛层错、孪晶及边界结构等局域有序性变化。
图1. 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。DOI: 10.11648/j.am.20190801.11
通过选区电子衍射（SAED）或纳米束电子衍射（NBED），TEM可分析晶体的对称性、取向关系及应变分布（如图2所示）。衍射模式中的斑点排列反映晶体的空间群信息，是确定晶体结构类型及相界分布的重要手段。
图2. SAED图案。DOI: 10.11648/j.am.20190801.11
晶体缺陷的类型与分布
在实际材料中，缺陷广泛存在并深刻影响其物理性能。TEM可有效识别晶体中的多种缺陷类型，包括点缺陷（空位、间隙原子）、线缺陷（刃型位错、螺型位错）、面缺陷（晶界、孪晶界）以及体缺陷（孔洞、夹杂相等）。
通过弱束像（weak-beam dark-field,WBDF）技术，TEM可对位错线的伯格斯矢量进行定向分析（如图3所示），并量化应变梯度。此外，扫描透射电子显微镜（STEM）结合Z-对比成像方式，可识别构成材料的原子列变化与晶格畸变，构建原子缺陷模型。
图3. 确定氦离子辐照TEM（透射电子显微镜）钨箔中的位错环的伯格斯矢量。DOI: 10.1016/j.actamat.2019.12.053
元素分析与成分分布
TEM结合能量色散X射线谱仪（EDS）与电子能量损失谱（EELS）可实现微区元素组成与空间分布的精细分析（如图4所示）。EDS适用于中重元素的定性和定量分析，在扫描透射模式下可构建二维或三维元素分布图，揭示多相界面、掺杂分布与界面反应区成分变化。
图4. SrTiO3晶体的EELS/EDS彩色分布图。
EELS则更适用于轻元素（如B、C、N、O）以及过渡金属元素的精细结构分析，其谱线精度高，可分辨不同元素的跃迁能级，从而实现对原子态成分的敏感探测。EELS还可辅助判断物质的化学计量比及非均匀性。
价态变化与电子结构特征
EELS不仅提供元素信息，还能反映局域电子态密度分布（如图5所示）。通过分析K边、L边、M边等谱段的精细结构，可获得过渡金属的价态、晶体场分裂、d带占据程度等电子结构信息。EELS的能量损失边缘位移（edge shift）与白线强度（white-line intensity）可定量表征化学环境中离子的氧化态或电子填充程度。
图5. 负粒子的空间EELS图。
这些电子结构特征是分析催化剂活性中心、电极材料充放电过程及相变伴随电子重排等物理化学过程的核心参数。
局域化学键合与配位环境
通过EELS中ELNES（energy-loss near-edge structure）部分（如图6所示），可分析原子与邻近配体之间的化学键类型、键强度及局域对称性。该技术基于内层电子激发至未占据轨道的跃迁特征，能够反映配位场强度与分子轨道混成行为。
图6. K边能量损失近边结构（ELNES）的精细结构。DOI: 10.1103/PhysRevB.104.085115
例如，在金属–氧化物体系中，氧K边ELNES的谱型差异可指示共价性或离子性主导特征。该能力拓展了TEM在分子配位结构与化学反应机制分析中的适用范围。
原位成像与动态过程追踪
TEM技术的进一步发展使其具备了原位表征能力，即在实时操作下观察材料随外部条件（温度、气氛、电场、应力）变化的结构演化行为。例如，通过加热台、气体流通系统或偏压装置，TEM可在反应过程中动态捕捉晶体重构、物质扩散、相变前驱态或析出过程。
该能力在研究材料服役过程、催化反应路径、能量转化过程及环境响应特性等方面具有重要意义，推动表征从静态图像向动态机制转变。
图7. 原位电化学液体池透射电子显微镜（TEM）支架和液体池的示意图和表征图。DOI: 10.1038/s41467-023-42221-6
电荷密度与电场分布映射
通过几何相位分析（GPA）及4D-STEM成像技术，TEM可进一步获取晶体中的微应变分布、静电势场、电偶极排列及局部电荷极化行为。此类信息对于理解铁电、压电材料的畴结构演化，二维材料中的边界电荷分布，及异质结界面的偶极形成机制具有关键意义。
这种空间分布特征的定量映射扩展了TEM的功能维度，使其具备原子尺度下的电荷与势能场探测能力。
图8. 4D-STEM实验装置示意图。DOI: 10.1080/23746149.2022.2127330
三维结构重构与断层扫描
结合电子断层扫描（Electron Tomography）技术，TEM可实现对纳米结构的三维重建。通过多角度获取二维图像，并进行图像重建算法处理，可获得颗粒、孔隙、内部通道、界面相贯穿结构等三维几何特征。
该技术特别适用于非均质结构、高孔隙率材料及多组分复合体的空间结构还原，弥补传统TEM的二维成像局限，增强结构–功能关联的解释能力。
图9. TEM断层扫描数据采集、三维重建和三维打印结果的示意图。DOI: 10.1038/s41598-022-21297-y
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