透射电子显微镜（TEM）的系统化解读

技术本质

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）是一种以高能电子束代替可见光、利用电磁透镜实现聚焦与放大的成像系统。

其工作逻辑可以概括为：

1. 电子枪发射高速电子；

2. 超薄样品对电子产生散射、衍射或能量损失；

3. 散射后的电子被多级电磁透镜接力放大；

4. 探测器把电子信号转换为二维图像或衍射花样。

由于电子波长（0.00251 nm @ 200 kV）远小于可见光（400–700 nm），TEM的理论空间分辨率可达 0.05 nm，能够直接分辨原子柱、晶格缺陷、界面位错乃至单个大分子。

分辨率

1.三大常用指标

点分辨率：两个独立点之间的最小可分辨距离，日常报告中“0.1 nm”即指此值。

晶格分辨率：对周期性晶格条纹的极限分辨能力，通常高于点分辨率。

信息分辨率：傅立叶变换可识别的最高空间频率，代表仪器可传递的全部结构信息。

2.理论极限公式

阿贝方程给出 d = 0.61λ/β，其中 λ 为电子波长，β 为物镜收集半角；提高加速电压→λ 减小→d 减小。但真实仪器还受球差 Cs、色差 Cc、像散、样品漂移及信噪比限制。

Scherzer 分辨率：在特定欠焦量下，球差与衍射限平衡，rSch = 0.66 Cs^(1/4) λ^(3/4)。

STEM 模式：分辨率近似等于入射束直径，束径由会聚角、电子源亮度与透镜像差共同决定。

像差

1.球差（Spherical Aberration）

离轴电子被过度折射，点物成像为弥散圆盘。校正球差需引入非旋转对称的多极透镜或 Cs 校正器。

2.色差（Chromatic Aberration）

能量分散 ΔE 导致电子折射率不同，形成色散圆盘。超薄样品（< 50 nm）可减小 ΔE 影响；单色器或 Cc 校正器可进一步抑制。  

3.像散（Astigmatism）

透镜磁场非圆对称使焦点呈“线状”，通过八极消像散器可动态补偿。

衬度机制

质量-厚度衬度：不同区域对电子散射能力差异产生明暗对比。

衍射衬度：晶体取向差异导致特定晶面满足/偏离布拉格条件，晶界、位错呈现条纹或消光轮廓。

相位衬度：利用电子波相位差干涉形成高分辨像，可解析晶格原子柱。

Z 衬度：重原子散射更强，在 STEM-HAADF 模式下形成原子序数对比。

能量过滤衬度：通过 EELS 或 EFTEM 选取特定能量损失电子，实现元素、化学态分布成像。

磁/电衬度：洛伦兹显微术揭示磁畴；电子全息术测量内建电场。

核心部件与光路

电子枪：热发射（LaB6）、肖特基场发射或冷场发射，决定亮度与能量分散。

镜筒：多级电磁透镜（聚光镜、物镜、中间镜、投影镜）与光阑系统协同，实现束斑缩小、放大倍率切换与衍射模式转换。

真空系统：10⁻⁵–10⁻⁸ Pa 级高真空，避免电子散射与样品污染。冷阱吸附残余气体。

样品杆：双倾、加热、冷却、拉伸多种功能，保证样品位于物镜“优中心”以减少离轴像差。

探测器

荧光屏/CCD：实时观察与记录；

STEM 探测器：环形暗场、明场、BF/HAADF；

EDS：元素面分布；

EELS：电子能量损失谱，提供化学键与价态信息。

成像模式

明场（BF）：插入物镜光阑仅让透射束通过，直观反映样品形貌与厚度。

暗场（DF）：移动光阑选取某一衍射束，突出特定晶粒或缺陷。

选区衍射（SAED）：在像平面插入选区光阑，获得微米级区域的晶体学信息。

会聚束衍射（CBED）：纳米束斑下实现晶系、对称性、厚度定量。

STEM：扫描细束同步采集多种信号，实现原子分辨元素成像及光谱。

校准流程

1. 聚光镜对中与像散校正：确保束斑圆形、居中。

2. 优中心高度：调整样品 Z 轴，使旋转倾转时图像不漂移。

3. 聚焦：利用菲涅尔条纹或 FFT 实时判断正焦、欠焦与过焦。

4. 物镜像散与光阑对中：最小化像散星芒，获取高分辨细节。

参数设置范例

金属合金（厚 150 nm，含析出相）：加速电压 200 kV → 减小 λ、提高穿透力； 聚光镜光阑 50 μm → 兼顾束斑尺寸与亮度； 物镜光阑 20 μm → 提高衍射衬度； 束流 50–100 pA → 避免热漂移；曝光 0.5–1 s，像素合并 2×2 → 平衡信噪比与辐射损伤。

生物切片（厚 70 nm，染色后）：100 kV 足够穿透； 低剂量模式（≤ 10 e⁻/Ų）减少辐照损伤；明场成像，-2 μm Scherzer 欠焦增强相位衬度； 冷冻转移样品杆（-180 °C）抑制污染与漂移。

优势与限制

优势：亚埃级分辨率直接观察原子排列；衍射与光谱一体化，提供晶体学、化学、电子结构信息；环境扩展（原位加热、液体、气体）揭示动态过程。

限制：样品厚度 < 200 nm，超薄制备繁琐；高真空与电子束损伤限制生物、含水、易挥发样品； 无法直接获得三维表面形貌（需配合层析或原子探针）； 设备与维护成本高昂，操作者需长期培训。

结语

TEM 不仅是纳米世界的“超级放大镜”，更是连接材料结构与宏观性能的桥梁。通过持续优化像差校正、低剂量成像、原位环境与人工智能图像解析，TEM 将在量子材料、能源催化、生物大分子动态过程等前沿领域继续扮演关键角色。