原標題：透射電鏡原理

透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope, TEM）是一種利用高能電子束穿透樣品，通過電磁透鏡成像的高分辨率顯微技術，能夠揭示材料的微觀結構、晶體缺陷、化學成分等信息。其核心原理基于電子與物質的相互作用，結合電磁透鏡的聚焦與放大功能，實現納米級甚至原子級的觀測。以下是TEM的詳細原理、結構、成像模式及應用場景的解析：

一、TEM的核心原理

1. 電子束的產生與加速

• 電子槍：

• 通常采用熱發射（鎢燈絲、六硼化鑭燈絲）或場發射（冷場發射、熱場發射）方式產生電子。

• 電子在高壓電場（通常為80-300 kV）下加速，獲得高動能（如200 kV加速電壓下，電子能量為200 keV）。

• 電子波長：

• 根據德布羅意關系，電子波長 λ 與加速電壓 V 的關系為：

其中，$h$ 為普朗克常數，$m$ 為電子質量，$e$ 為電子電荷。例如，200 kV加速電壓下，電子波長約為0.025 ?（遠小于可見光波長，故分辨率更高）。

2. 電子與樣品的相互作用

當高能電子束穿透樣品時，會發生多種相互作用，主要分為：

• 彈性散射：

• 電子與原子核發生庫侖相互作用，能量幾乎不損失，但方向改變。彈性散射電子用于成像（如明場像、暗場像）。

• 非彈性散射：

• 電子與原子外層電子或晶格振動（聲子）相互作用，損失部分能量。非彈性散射電子用于分析樣品成分（如電子能量損失譜，EELS）和結構（如衍射花樣）。

• 二次電子發射：

• 電子撞擊樣品表面激發出二次電子，但TEM主要利用穿透電子，二次電子信號通常被抑制。

• X射線發射：

• 電子激發原子內層電子，外層電子躍遷時發射特征X射線，用于元素分析（如能量色散X射線譜，EDS）。

3. 電磁透鏡的成像原理

• 靜電透鏡與電磁透鏡：

• TEM使用電磁透鏡（由線圈和極靴組成）聚焦電子束，其原理類似于光學透鏡，但利用磁場對電子的洛倫茲力實現聚焦。

• 電磁透鏡的焦距可通過調節線圈電流改變，實現動態聚焦。

• 成像過程：

1. 聚光鏡：將電子槍發出的發散電子束會聚成平行束或會聚束，照射到樣品上。

2. 物鏡：收集穿透樣品的電子，形成第一幅放大像（物鏡后焦面為衍射花樣，像面為實空間像）。

3. 中間鏡與投影鏡：進一步放大物鏡形成的像，最終在熒光屏或CCD相機上顯示。

4. 像差校正

• 球差（Spherical Aberration）：

• 電磁透鏡對不同入射角的電子聚焦能力不同，導致像點擴散。球差校正器（如六極校正器）可顯著提高分辨率。

• 色差（Chromatic Aberration）：

• 電子能量差異導致聚焦位置不同，通過單色器（如磁能過濾器）可減少色差影響。

二、TEM的主要結構

TEM由電子光學系統、真空系統、控制系統和記錄系統組成，核心部件包括：

1. 電子槍：

• 產生電子束，分為熱發射（鎢燈絲、LaB?燈絲）和場發射（冷場發射、熱場發射）兩類。場發射槍（FEG）具有更高的亮度與相干性。

2. 聚光鏡系統：

• 包括第一聚光鏡和第二聚光鏡，用于調節電子束的會聚角和束流密度。

3. 樣品室：

• 放置樣品，可傾斜（±45°）和旋轉，便于多角度觀察。

4. 物鏡：

• 決定TEM的分辨率，通常為強激磁短焦距透鏡。

5. 中間鏡與投影鏡：

• 進一步放大物鏡形成的像，實現高倍率成像。

6. 觀察與記錄系統：

• 熒光屏、CCD相機或直接電子探測器（DED）用于實時觀察和記錄圖像。

7. 真空系統：

• 維持高真空（10??-10?? Pa），防止電子與氣體分子碰撞。

三、TEM的成像模式

1. 明場成像（Bright-Field Imaging, BF）

• 原理：

• 使用物鏡光闌擋住非彈性散射電子和衍射電子，僅讓直接穿透樣品的彈性散射電子成像。

• 特點：

• 圖像對比度主要來源于樣品厚度、密度和原子序數差異。

• 適用于觀察晶體缺陷（如位錯、層錯）和顆粒分布。

2. 暗場成像（Dark-Field Imaging, DF）

• 原理：

• 將物鏡光闌移至衍射斑點位置，僅讓特定衍射方向的電子成像。

• 特點：

• 圖像對比度來源于晶體取向差異，可用于觀察晶界、孿晶等。

3. 高分辨透射電鏡成像（High-Resolution TEM, HRTEM）

• 原理：

• 利用相位襯度成像，通過物鏡后焦面插入小孔光闌，保留部分衍射波與直接波干涉形成的相位信息。

• 特點：

• 可直接觀察晶體晶格條紋（分辨率達0.1 nm以下），用于分析晶體結構、界面和缺陷。

4. 掃描透射電鏡成像（Scanning TEM, STEM）

• 原理：

• 聚焦電子束在樣品上掃描，通過收集不同信號（如高角環形暗場像，HAADF）成像。

• 特點：

• HAADF-STEM圖像對比度與原子序數平方成正比（Z襯度），適用于原子級成分分析。

5. 電子衍射（Electron Diffraction）

• 原理：

• 電子束穿透樣品后發生衍射，在物鏡后焦面形成衍射斑點（選區衍射，SAED）或環形衍射（納米晶衍射）。

• 特點：

• 用于分析晶體結構、相組成和取向關系。

四、TEM的關鍵性能指標

1. 分辨率：

• 點分辨率：理論極限為電子波長的一半（如200 kV下約0.02 nm），實際受像差限制。

• 信息分辨率：通過像差校正可提升至0.05 nm以下。

2. 加速電壓：

• 常見為80-300 kV，高壓TEM（如300 kV）可穿透更厚樣品，減少損傷。

3. 放大倍數：

• 光學放大倍數可達數百萬倍，實際分辨率由電子光學系統決定。

4. 樣品臺功能：

• 雙傾樣品臺（±45°傾斜）便于晶體學分析，低溫樣品臺（如液氮冷卻）可減少輻射損傷。

五、TEM的應用場景

1. 材料科學：

• 觀察金屬、陶瓷、聚合物的晶體缺陷（如位錯、晶界）、相變過程和納米結構。

• 分析復合材料界面、涂層附著力和失效機制。

2. 半導體行業：

• 檢測集成電路中的晶格缺陷、摻雜分布和互連結構。

• 研究二維材料（如石墨烯、MoS?）的層數和堆垛方式。

3. 生命科學：

• 觀察病毒、細胞器和蛋白質復合物的超微結構（需快速冷凍固定，冷凍電鏡技術）。

4. 納米技術：

• 表征量子點、納米線、碳納米管等納米材料的形貌和晶體結構。

5. 地質與礦物學：

• 分析礦物晶體結構、包裹體和變質作用過程。

六、TEM的樣品制備

1. 薄樣品要求：

• 電子束穿透能力有限，樣品厚度通常需<200 nm（金屬）或<500 nm（生物樣品）。

2. 制備方法：

• 超薄切片：使用超薄切片機（如玻璃刀或鉆石刀）制備生物或聚合物樣品。

• 離子減薄：通過氬離子束轟擊樣品兩側，適用于金屬和陶瓷。

• 聚焦離子束（FIB）：直接在樣品上加工出薄區，適用于局部區域分析。

3. 導電處理：

• 非導電樣品（如陶瓷、生物樣品）需噴涂碳或金屬（如鉑）以避免電荷積累。

七、TEM的發展趨勢

1. 像差校正技術：

• 通過多極校正器（如六極校正器）消除球差，將分辨率提升至亞埃級（<0.1 nm）。

2. 單色器與能量過濾器：

• 提高能量分辨率（如EELS分辨率達0.1 eV），實現元素特異性成像。

3. 原位TEM：

• 集成加熱、冷卻、拉伸等裝置，實時觀察材料在服役條件下的動態行為。

4. 冷凍電鏡（Cryo-TEM）：

• 快速冷凍生物樣品，保持天然狀態，結合三維重構技術解析蛋白質結構。

5. 直接電子探測器（DED）：

• 替代傳統CCD，提高圖像信噪比和采集速度，適用于動態過程研究。

八、總結

透射電鏡通過高能電子束與樣品的相互作用，結合電磁透鏡的聚焦與放大功能，實現納米級甚至原子級的微觀結構分析。其核心原理涵蓋電子束產生、樣品相互作用、電磁透鏡成像及像差校正，關鍵性能指標包括分辨率、加速電壓和樣品臺功能。TEM廣泛應用于材料科學、半導體、生命科學等領域，隨著像差校正、原位技術和冷凍電鏡的發展，其分析能力正不斷突破極限，為科學研究和技術開發提供關鍵支持。