透射電子顯微鏡（TEM，Transmission Electron Microscope），簡稱透射電鏡，是一種以波長極短的電子束作為照明源的高分辨率、高放大倍數的電子光學儀器。

透射電子顯微鏡的工作原理是通過電子槍發射電子束，經加速和聚焦后照射在樣品上。電子束與樣品相互作用后，強度和方向均發生改變，由于樣品各部位材料結構不同，投放到熒光屏上的各點強度也會不同，從而形成明暗不同的影像。

透射電鏡主要由光學成像系統、真空系統和電氣系統三部分組成。其中，光學成像系統是核心部分，主要包括照明系統、成像放大系統和圖像觀察記錄系統。

成像過程的兩個階段

1.平行電子束與樣品相互作用

遭到物的散射作用而分裂成為各級衍射譜，即由物變換到衍射的過程。在這個過程中，電子束與樣品的原子相互作用，發生彈性散射和非彈性散射。彈性散射的電子保持其能量不變，但方向發生改變，形成衍射譜；而非彈性散射的電子則會損失部分能量，產生二次電子、特征X射線等信號，這些信號可以用于分析樣品的成分和結構信息。

2.各級衍射譜經過干涉重新在像平面上會聚成諸像點

即由衍射重新變換到物（像是放大了的物）的過程。在這個過程中，不同方向的衍射束相互干涉，形成明暗相間的條紋或斑點，這些條紋或斑點的分布規律與樣品的晶體結構密切相關。通過分析這些條紋或斑點的形狀、大小和位置，可以獲取樣品的晶面間距、晶格參數、晶體取向等信息，從而實現對樣品微觀結構的高分辨率成像。

材料科學

透射電鏡可用于研究材料的晶體結構、相組成、缺陷分布等。高分辨TEM（HRTEM）圖像則能夠獲得晶格條紋像，反映晶面間距信息，以及結構像和單個原子像，揭示晶體結構中原子或原子團的配置情況，為材料的微觀結構研究提供更高分辨率的圖像信息。

2.半導體技術

對于半導體行業，透射電鏡是研究先進制程芯片的關鍵工具。它可以精確測量芯片的工藝尺寸，如器件的柵氧厚度，分析其組成成分，幫助工程師優化芯片的制造工藝，提高芯片的性能和可靠性。TEM的操作模式多樣，以適應不同的分析需求。此外，STEM（掃描透射電子顯微鏡）模式配合HAADF（高角環形暗場）探測器，可以根據材料的原子序大小呈現不同的亮度灰階，加強材料層之間的對比，相較于傳統視野影像具有更佳的成分鑒別率，能夠更準確地分析半導體材料的成分分布和界面結構。

其他應用

透射電鏡還可以與其他分析技術相結合，如EDX（能量色散X射線光譜）用于元素點、線、面掃描分析，SAD（選區電子衍射）用于微米級微小區域結構特征分析等，進一步拓展了其應用范圍和功能。

透射電鏡分析

透射電鏡的分析樣圖能夠直觀地展示其強大的功能和應用效果。例如，晶體管的定點成分分析樣圖可以清晰地顯示出晶體管不同區域的元素分布情況，為半導體器件的性能優化提供重要參考。線掃描分析樣圖和面掃描分析樣圖則能夠揭示樣品中元素的分布規律和濃度梯度，有助于研究材料的成分均勻性和擴散行為。晶向分析樣圖則可以確定晶體的取向和對稱性，為材料的晶體學研究提供關鍵信息。

透射電鏡作為一種高精度的微觀分析儀器，憑借其卓越的性能和廣泛的應用范圍，在現代科學研究中發揮著不可替代的重要作用。