透射电子显微镜(TEM)的工作原理

什么是透射电子显微镜？

透射电子显微镜（TEM）的原理根基在于电子与物质的相互作用。

电子枪发射出的电子束，经由电磁透镜系统聚焦与加速，达到高能量水平（80 KeV到300 keV），随后精准地照射到超薄样品之上。电子束穿透样品后，部分电子继续前行，穿过物镜、成像透镜等一系列透镜系统，最终在荧光屏、感光胶片或CCD相机等设备上形成可供记录的图像。

电子波长极短，远小于光学显微镜所用可见光波长，这使得TEM能够突破光学显微镜的分辨率极限，达到纳米甚至亚原子级的分辨率，为微观世界的精细观察提供了可能。

构建高精度成像系统

电子枪是TEM的关键部件之一，负责产生电子束。常见的电子枪有热发射电子枪和场发射电子枪，其中场发射电子枪凭借更高的亮度和更佳的电子束聚焦效果，成为高分辨成像的首选。

电磁透镜则在TEM中扮演着类似光学显微镜中光学透镜的角色，通过精确控制电磁场，实现对电子束的聚焦和放大，确保电子束能够精准地照射到样品上，并将透射后的电子束汇聚成像。

样品台具备精确的定位和倾斜功能，使研究者能够从不同角度观察样品，获取不同取向下的结构信息。

探测器用于捕捉透射后的电子束，将其转化为可观察的图像，常见的探测器包括荧光屏、感光胶片以及数码探测器（如CCD相机），它们各有优势，满足不同的成像需求。

多维度的微观表征

TEM拥有多种工作模式，以适应不同的研究需求。

1.明场成像是TEM最常用的工作模式，透射电子束穿过样品后形成图像，未被散射的电子被收集并呈现为图像中的亮部，而较厚区域或晶体中强烈散射的区域则表现为暗部，这种模式适合观察样品的整体形貌、厚度分布以及晶体缺陷等。

2.暗场成像则通过选择特定散射角度的电子进行成像，能够突出样品中特定的晶面、缺陷或颗粒，便于研究者对不同晶相或局部结构进行详细观察。

3.高分辨透射电子显微镜（HRTEM）模式通过直接成像电子波的干涉图样，能够获得晶体结构的原子级分辨率图像，可用于研究材料的晶体结构、位错、缺陷等原子级特征。金鉴实验室在进行试验时，严格遵循相关标准操作，确保每一个测试环节都精准无误地符合标准要求。

4.电子衍射模式基于电子束与晶体相互作用后产生的衍射图样，通过测量衍射点的位置和强度，确定晶格常数、晶体取向和相组成，常见的电子衍射模式包括选区电子衍射（SAED）和汇聚束电子衍射（CBED）。

5.能量色散X射线光谱（EDS/EDX）结合TEM使用，可检测电子与样品原子相互作用后产生的特征X射线，从而确定样品中元素的种类和分布，适合进行局部的化学成分分析。

6.电子能量损失谱（EELS）用于测量电子在穿过样品时损失的能量，这种能量损失蕴含着材料的化学成分、价态、电子结构等丰富信息，能提供更精细的化学成分分析和价态信息，相较于EDS具有更高的灵敏度。

样品制备

TEM样品的制备至关重要，样品必须足够薄（通常为几十纳米），以确保电子束能够穿透。常见的样品制备方法有机械研磨，先将块体样品研磨至较薄厚度，再通过离子减薄进一步减薄至电子束可透过的厚度；聚焦离子束（FIB）技术可从大块材料中精确切出超薄样品，适用于复杂材料的精确制备；超薄切片则适用于生物样品或聚合物等软材料，使用超薄切片机切割出几纳米至几十纳米厚的样品。这些方法各有优势，根据不同的研究对象和需求进行选择，为TEM的高分辨率成像提供高质量的样品基础。