透射电子显微镜 (TEM) 是一种用于观察物质中最小结构的分析技术。与依赖可见光谱中的光的光学显微镜不同，TEM 可以通过将纳米结构放大 5000 万倍来揭示原子尺度的惊人细节。这是因为电子在通过强电磁场加速时，其波长可以比可见光短得多（大约小 100,000 倍），从而将显微镜分辨率提高了几个数量级。

为了形成 TEM 图像，需要加速高能电子束穿过极薄的“电子透明”样品（通常厚度小于 100 纳米）。显微镜的整个镜筒内放置了一系列电磁透镜和光圈，以将电子束聚焦在样品上，最大程度地减少失真，并将生成的图像放大到荧光屏或专用相机上。

TEM 有多种形式，但所有 TEM 都具有相同的基本原理和组件。TEM 仪器的两种主要类型是传统 TEM（也简称为 TEM）和 STEM（扫描透射电子显微镜）。TEM 的其他变体包括 AC-S/TEM（其中 AC 代表“像差校正”）和 ES/TEM（其中 E 代表“环境”）。

自 20 世纪 30 年代初首次展示电子光学以来，近一个世纪的研究和开发已达到顶峰，使 TEM 成为材料和生命科学应用中不可或缺的技术。当今最强大的 TEM 配备了改进和附加检测器，不仅提高了显微镜的性能和稳定性，还提供了从各种材料中收集亚纳米长度尺度的化学和电子信息的附加功能。

透射电子显微镜（TEM）由五个关键部分组成：

1. 高压源
2. 真空系统
3. 显微镜立柱
4. 探测器（例如，成像相机、光谱仪）
5. 控制计算机和软件

简化的 TEM 图突出显示了整个柱的主要组件

加速电压是施加到电子枪上的电场电位，用于加速电子束穿过显微镜柱并最终到达样品。加速电压越高，电子波长越短，分辨率越高。

镜筒顶部是电子枪，它与 高压源耦合 ，用于设置电子束的动能。典型的加速电压范围为 80 kV 至 300 kV。 显微镜镜筒 由一系列电磁透镜和光圈组成，用于将电子束聚焦到样品上，并将 TEM 图像放大到观察屏幕（或探测器）上。 真空系统 用于在整个镜筒内保持所需的真空度。由于仪器的复杂性，大多数组件都是由 计算机自动控制的 ，只有少数关键参数由显微镜操作员控制。主要的用户控制设置包括样品台位置、放大倍数、物镜电流、电子束电流（光斑大小）以及采集数据时使用的光圈和探测器的选择。

现代 TEM 配备了电子 探测器 （例如电荷耦合器件或 CCD 探测器）以及可伸缩荧光观察屏，以便以数字格式捕获 TEM 图像。大多数 TEM 还会配备一个 X 射线探测器，可插入物镜极片之间（靠近样品）以分析成分。位于柱末端的可选电子能量损失谱仪用于电子能量损失谱 (EELS)。

真空系统

为了消除电子束与样品以外的任何物体的相互作用，需要将高真空系统连接到柱子上 [2]。典型的 TEM 将采用三种类型的真空泵：

• 粗抽泵将真空度从大气压抽至“低”真空水平（约 0.01 毫巴）。这些泵的噪音很大，因为它们以机械方式抽取相对大量的空气。粗抽泵通常在一个过程中多次使用，以抽出样品负载锁室，然后进入柱的超高真空环境。粗抽泵还用于“支持”某些高真空泵，提供额外的抽气层。
• 一种或多种高真空泵，需要由粗抽泵“辅助”才能达到超高真空水平（即 10 -5 至 10 -10 mbar）。例如涡轮泵或扩散泵。这些泵用于抽空塔内气体。一旦塔内气体达到所需的真空水平，辅助泵或粗抽泵通常会关闭以减少机械振动，并每隔几小时自动触发一小段时间以抽出累积气体。
• 一个或多个不需要后备的高真空泵——例如离子泵。离子泵用于维持枪室中的超高真空。差动抽气孔用于将离子泵抽气的枪室与柱的其余部分分开，以防止电子枪退化。

一些 TEM 还配有其他类型的泵，分别称为“吸气剂”或“捕集器”，用于高真空和低真空范围。这些泵允许某些气体吸附在化学反应表面上。低温泵（例如“冷指”）通常位于物镜极片内（即样品附近），以将杂散气体分子冻结在其表面。显微镜柱外的小型液氮杜瓦瓶在会话开始时填充（有时在会话期间重新填充）以保持性能。

电子枪

TEM 最重要的部分之一是电子源，通常称为电子“枪”。电子源需要满足某些要求才能产生高分辨率图像。TEM 的电子枪主要有两种类型：热电子枪和场发射电子枪。发射器的特性将决定显微镜的分辨率极限，这取决于亮度（即源单位立体角的电流密度）、空间相干性和时间相干性。

热电子枪包含一根灯丝，灯丝由弯曲的钨丝或陶瓷晶体（例如 LaB 6或 CeB 6）制成，末端带有尖头。电流通过灯丝加热尖端并发射电子。热电子发射器与杯形电极耦合，电极尖端下方中央有一个小孔。该装置也称为维纳尔特圆柱体，有助于定位发射的电子并产生聚焦光束，照明系统可以进一步操纵该光束。

与钨相比，陶瓷晶体可以在较低温度下发射电子，从而产生更亮的光束（即更高的电流密度）和更少的能量分散（即更好的时间相干性）。它们比钨更昂贵，需要更高的真空度，但支持更长的寿命和更好的空间分辨率。

场发射枪 (FEG) 依靠一种不同但更简单的机制来发射电子，即隧穿。通过第一个阳极（阳极 1）将电场施加到由钨制成的极其尖锐的尖端以诱导隧穿。第二个阳极（阳极 2）将电子加速到指定的加速电压。由于两个阳极共同作用以聚焦光束，因此不需要维纳尔圆柱体。结果是光束比任何热电子发射器都更亮、更连贯，使其成为高分辨率 S/TEM 应用的理想选择。

两种类型的 FEG 源分别是冷 FEG 和肖特基 FEG。冷 FEG 完全依靠隧穿来产生电子，而肖特基 FEG 则依靠热电子发射来产生电子。这是通过在钨尖端上涂一层薄薄的氧化锆 (ZrO) 来实现的，氧化锆会降低功函数，从而促进电子的热发射。

照明系统

照明系统接收来自电子枪的光束并将其引导至样品，无论是 TEM 的宽“平行”光束还是 STEM 的小型聚焦探针。为此，需要两个聚光透镜的组合以及第二个聚光透镜出口平面上的至少一个光圈（与倾斜和偏转线圈组合）。

比较 TEM 和 STEM 照明，它们分别用于在样品入口表面形成平行光束或会聚探针

在 TEM 模式下，调整聚光透镜，使光束在直径为几微米的样品上形成宽光束 [3]。物镜的上极片可充当第三个聚光透镜，以产生更平行的光束。这对于生成清晰的衍射图案和更强的图像对比度非常理想。

对于 STEM 模式，则需要相反的操作。相反，照明系统的作用是在样本入口表面形成会聚光束（探针）。通过扫描聚焦探针的视野来形成图像。插入聚光镜光圈以定义探针的会聚角 α。

电磁透镜

电磁透镜由两个主要部件组成：铜线线圈和极片。电流通过线圈在柱内产生磁场。磁场是不对称的：中心最弱，边缘最强，用于聚焦离轴电子并形成光束交叉。

物镜

TEM 中最重要的镜头是物镜。它形成图像和衍射图案 (DP)，并放大到观察屏幕或相机上。

与光学类似，图像的特征是图像中的点与物体中的点一一对应。在 TEM 图像中，物体是位于样本出口表面的透射电子。物镜将从样本出口侧发出的电子分散到后焦平面 (BFP)，衍射图案就位于后焦平面，然后将它们重新组合到图像平面。为了生成原子柱的高分辨率图像，必须最小化物镜的焦距以最大化放大倍数。因此，物体距离或样本与物镜之间的距离必须非常小。

由于这些特定要求，物镜的构造比镜筒中的其他透镜更复杂。所谓的“分体”构造允许单独的线圈组独立控制上部和下部极片中的场强。这种几何结构不仅为在极片间隙内靠近物镜插入样品提供了空间，从而最大限度地缩短了物距，而且还适合插入 X 射线光谱仪以及各种样品支架（例如双倾斜、原位、冷却等）。

分离设计也有利于在 TEM 和 STEM 模式之间切换。上极片电流可以独立调整，以在 STEM 模式下形成会聚探针。在 TEM 模式下，下物镜极片负责成像（而上极片则有助于平行光束形成）。

需要注意的是，物镜应以恒定电流工作，以尽量减少镜头像差。因此，通过测角仪调整标本的“Z 高度”可以实现聚焦。一个称为同心平面的术语用于定义物镜的标准物体平面。当标本高度位于同心平面时，图像将聚焦，物镜将具有标准参考值。

物镜像差和实际分辨率

在 TEM 模式下，实际分辨率取决于物镜形成物体图像的能力。在 STEM 模式下，分辨率取决于聚光探头的大小和亮度。无论哪种情况，镜头像差（即缺陷）都会限制分辨率。

电子-样品相互作用

为了确定正确的成像方法或正确解释图像对比度或光谱特性，了解 TEM 中产生的所有相关信号非常重要。TEM 中产生的所有信号要么来自弹性散射，要么来自非弹性散射。

TEM 中出现的不同类型信号的示意图以及它们如何用于成像和化学分析

弹性散射

弹性散射事件不涉及向入射电子传递能量。与孤立原子的两种相互作用会导致弹性散射：

• 与电子云的相互作用导致低角度散射。
• 带正电的原子核受到库仑吸引力，导致大角度（卢瑟福）散射。

在实际 TEM 样品中，原子通常是晶体材料，原子以可重复的 3D 排列（晶格结构）。当电子束进入晶体时，弹性散射将以与该材料中独特的晶格间距（也称为 d 间距）相对应的特征角度发生。

这些特征散射角也称为布拉格角。因此，衍射图会捕捉布拉格角的印记，并传达有关材料晶体结构的信息，例如对称性、晶格间距、应变和缺陷。对于多晶或非晶态材料，衍射图会变成一系列扩散环，其中环半径对应于晶格间距，扩散度随平均晶粒尺寸减小而增大。

振幅对比 TEM 图像

透射电子（波）的振幅可以通过两种机制改变：

• 视野范围内样品的质量厚度变化。
• 视野范围内衍射（布拉格）条件的不均匀性。

晶体材料的布拉格衍射：波长与原子间距 (d) 相当的入射辐射（例如 TEM 中的电子束）发生散射，并在称为布拉格角 (θ

样品质量或厚度（或两者）的变化将改变通过卢瑟福（热扩散）散射穿过样品的电子振幅。这种散射发生在高角度。因此，通过将物镜光圈置于直射光束（光轴）周围，这些高角度散射的电子将被排除在图像平面之外，从而形成明场 (BF) 图像。BF 图像显示质量厚度对比度，因此质量厚度较高的区域较暗。

衍射对比图像是通过排除除散射到特定布拉格角的电子以外的所有电子来生成的。物镜光圈位于选定的布拉格光束（晶格间距）附近，从而产生暗场 (DF) 图像。当特定布拉格角的衍射条件在整个视野范围内发生变化时，就会发生振幅对比。因此，可以通过 DF 对比推断出晶体取向（即布拉格条件）的细微变化。在实践中，获取 DF 图像的最佳方法是将样本倾斜到所谓的“双光束”状态，其中直接光束和仅一个布拉格光束受到强烈激发。

使用物镜光圈（光阑）形成明场 (BF) 和暗场 (DF) TEM 图像

相衬 TEM 图像

当多束光束（例如直射光束和布拉格光束）由于相对相移而发生相长干涉和相消干涉时，就会发生相位对比。这种现象导致在 HR-TEM 图像中观察到晶格条纹、样本边缘周围的菲涅尔条纹或莫尔条纹。相位对比图像具有最高的空间分辨率，因为其中包含多束光束以及散射到更高角度（d 间距较小）的光束。

解释相衬图像虽然相位对比图像是获取原子级分辨 TEM 图像的一种方式，但如果没有极薄的样品，则很难对其进行解释。这是因为

选区衍射

TEM 中的另一种有用模式是使用选定区域光圈来生成选定区域衍射 (SAD) 图案。这是收集高质量衍射图案最有用的方法，因为样品可能会在整个视野范围内弯曲，从而导致 DP 失真。由于 SAD 光圈位于物镜的图像平面中，因此插入 SAD 光圈可让显微镜操作员仅包括由 SAD 孔径定义的局部区域的电子。

高角度环形暗场 (HAADF) STEM 图像

在 STEM 模式下，可以使用高角度环形暗场 (HAADF) 探测器生成原子级分辨的质量厚度对比图像。该探测器收集以高散射角发射的卢瑟福散射电子。当会聚探针扫描视场时，HAADF 探测器收集每个点的信号强度并有效地映射原子柱位置。

高角度环形暗场 (HAADF) STEM 图像采集示意图。环形探测器位于样本出口表面下方，用于在会聚光束扫描整个视场时收

非弹性散射

与弹性散射不同，非弹性散射的特点是入射电子的能量损失可测量 - 大约为 meV（1000 meV = 1 eV）到几百 eV，这仅占入射光束能量的一小部分。

TEM 中有许多类型的信号源自非弹性散射。将这些数据与高分辨率图像配对，可以提供只有 S/TEM 才能提供的强大关联数据。现代 S/TEM 提供的这种“整体”材料表征方法（即对成分、化学和键合进行分析纳米分析的能力）使该技术在纳米技术和材料科学应用中非常有用。

非弹性散射会产生能量损失电子、X 射线发射、二次电子发射，有时还会产生可见光发射（即阴极发光或 CL）。TEM 中分析的两种最常见的非弹性信号是通过电子能量损失谱 (EELS) 测量的能量损失电子，以及使用能量色散 X 射线谱（即 EDS 或 EDX 谱）检测到的特征 X 射线。

X射线光谱

X 射线光谱法是 TEM 或 STEM 中可以执行的最流行的化学分析之一。EDX 光谱提供了样品中存在元素的快照。通过非弹性散射产生的 X 射线有两种类型：

• 特征X射线：用于缺陷、表面、沉淀物和界面等纳米尺寸区域的成分分析。
• 轫致辐射X射线：德语翻译为“制动辐射”，是一种涉及与原子核非弹性相互作用的连续X射线发射。它常用于生物应用。

当入射电子穿透内壳层电子时，会产生特征 X 射线。如果从入射电子向内壳层电子传输的能量足够多，则样品中的原子将被电离。这种激发态涉及在内壳层中留下一个“空穴”。为了使原子放松回到基态，它必须通过发射能量与内壳层和外壳层之间的能量差相同的 X 射线，用外壳层电子填充空穴。由于每种元素在每个电子壳层内都有独特的能级，因此特征 X 射线代表了样品的成分。

当快速电子穿透所有电子壳层并与原子核电荷场发生非弹性相互作用时，就会产生轫致辐射 X 射线。与特征 X 射线不同，这种相互作用产生的能量损失可以是低于入射光束上限动能的任何能量。特征 X 射线在 EDX 光谱中叠加在此连续信号上。对于生物学家来说，轫致辐射强度可用于了解样本的平均原子序数。对于材料科学应用，轫致辐射通常被视为遮蔽特征 X 射线的背景信号。

该图显示了入射电子束与样品的相互作用，可导致特征 X 射线发射

薄样品发射的特征 X 射线是各向同性的。另一方面，轫致辐射在正向方向上是各向异性的（即集中在样品的出射面侧）。可以利用这一事实来增强元素分析的信号强度。EDX 探测器插入极片间隙之间（样品上方），样品向 EDX 探测器倾斜有助于进一步提高信噪比。

电子能量损失谱

EELS 测量样品中所有发生非弹性相互作用的电子的能量分布 [4]。与检测去激发事件的 X 射线光谱不同，EEL 光谱表示样品内的激发或电离，因此可以探测比 EDX 光谱更广泛的现象。这些现象包括核壳跃迁、等离子体共振、半导体中的价带到导带跃迁，甚至振动模式（声子）。

镜头像差

由于各种原因，TEM 的衍射极限分辨率远高于实际分辨率。这些原因包括显微镜室内的机械振动、声学干扰、不稳定的高压源和厚样品——所有这些都会降低实际分辨率。一旦克服这些障碍（在先进的 TEM 设施中这是一个相对简单的过程），物镜像差的现实最终将限制显微镜分辨率。限制显微镜分辨率的两种主要物镜像差称为球面像差和色差。

球面像差

球面像差，通常称为“Cs”（球面像差系数），存在于所有圆形电磁透镜中（物镜被视为“圆形”透镜）。它会影响离轴电子射线，因为这些射线被样本散射得离轴越远，聚焦得越强。因此，源自物体的点在 TEM 图像中显示为有限圆盘（即扭曲或模糊）。考虑到这一点，可以通过将物镜电流调整到略微“散焦”的状态来实现最佳分辨率，这意味着中间透镜的物体不在图像平面上，而是略微“高于”该平面。这种情况称为 Scherzer 散焦 [5]。

色差

色差 (C c ) 与电子的能量（波长，即颜色 - 类似于可见光）有关，电子并不像加速电压所暗示的那样真正是单色的。根据电子枪的类型，电子束的能量分散度将从大约 0.3 eV（冷 FEG）到大约 1 eV（LaB 6 热电子）不等 [3]。在传统的 S/TEM 中，色差不会限制空间分辨率，因为相对能量分散度只是加速电压的一小部分。然而，在配备了 C s 校正器的 S/TEM 中，限制实际分辨率的下一个因素就是色差。

色差产生的另一种方式是由于厚样品内的非弹性散射。这会产生能量损失电子，并进一步增加样品中光束的能量分布。样品厚度越大，效果越差，这也是为什么极薄样品（<100 纳米）更适合高分辨率成像和纳米分析的另一个原因。

有两种方法可以最大限度地减少色差。第一种也是最直接的方法是限制样品厚度。另一种方法是使用光束单色仪，它可以将能量分散度降低到几兆电子伏，这比冷 FEG 枪的能量分散度好 100 倍左右。单色仪在 STEM-EELS 中的使用使显微镜学家能够以纳米空间分辨率检测晶体和其他材料中的声子或振动模式 [7]。

透射电子显微镜的优势和局限性

虽然 TEM 是一种用途广泛的技术，应用范围十分广泛，但除了注意其众多优点之外，还必须注意其局限性。通过了解 TEM 和 STEM 的潜在缺点，显微镜专家不仅可以更好地理解这些仪器生成的复杂数据，还可以开发出解决某些局限性的新方法，从而扩大该技术的实用性。

优点

• 提供任何显微镜技术中最高、最强大的放大倍数。
• 多种成像模式：暗/明场和相位对比 (TEM)；高角度环形暗场 (STEM)。
• 能够利用选区衍射（SAD）从纳米级区域收集电子衍射图案（晶体学信息）。
• 实现纳米分析：能够收集有关组成和结合的局部信息，并可将其与高分辨率图像关联起来。

缺点

• 采样有限：HR-TEM 图像的典型视野不超过 100 nm2。
• 复杂的图像解释：所有 TEM 图像（和衍射图案）都是 3D 结构的 2D 投影。
• 电子束可能造成损伤，尤其是对轻元素、生物样本和软材料。在许多情况下，这使得在样品非晶化之前收集有意义的数据变得具有挑战性。
• 可以利用利用低温透射电子显微镜 (TEM)、低剂量透射电子显微镜 (TEM)、低千伏透射电子显微镜 (TEM) 等先进设备的专门技术来分析光束敏感材料。
• 需要真空环境——限制了在真实“工作”条件下观察功能材料的能力。
• E-TEM 和原位 TEM 支架可用于探测受刺激（热、气体、液体、电偏压）的材料。
• 难以制备样品以创建极薄的样本；薄样品通常会导致成像伪影。