透射電鏡的成像原理

透射電子顯微鏡（TEM）是一種利用波長極短的電子束作為照明源的高分辨率電子光學儀器。其成像原理基于電子束與樣品的相互作用。電子槍發射出的電子束經過加速和聚焦后照射到樣品上，電子束的強度和方向會因樣品內部的材料結構差異而發生改變。由于樣品各部位的材料結構不同，經過相互作用后的電子束在熒光屏上形成的影像各點強度也不一樣，從而呈現出明暗不同的圖像。透射電鏡的成像過程可以分為兩個階段。首先是平行電子束與樣品相互作用，發生散射，形成各級衍射譜，即從物體到衍射的過程。隨后，這些衍射譜經過干涉，在像平面上重新會聚成放大后的物像。

透射電鏡的結構組成

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。光學成像系統是其核心部分，主要包括照明系統、成像放大系統和圖像觀察記錄系統。照明系統負責產生具有一定能量、足夠亮度和適當小孔徑角的穩定電子束，其主要裝置包括電子槍和聚光鏡。電子槍發射電子束，聚光鏡則對電子束進行聚焦，使其能夠準確照射到樣品上。成像放大系統通過電磁透鏡對經過樣品后的電子束進行放大，形成清晰的圖像。圖像觀察記錄系統則用于觀察和記錄最終的成像結果，通常包括熒光屏和電子探測器等設備。

透射電鏡的應用場景

在材料科學中，它可以用于分析材料的微觀結構、晶體缺陷、相組成等。例如，通過高分辨TEM（HRTEM）圖像，可以獲得晶格條紋像，從而反映晶面間距信息；還可以獲得結構像及單個原子像，揭示晶體結構中原子或原子團的配置情況。這些信息對于理解材料的性能和優化材料制備工藝具有重要意義。

在半導體領域，透射電鏡能夠幫助研究人員精確測量先進制程芯片的工藝尺寸、器件的柵氧厚度，并分析其組成成分。明暗場襯度圖像模式可提供高達100萬倍的放大倍數，使研究人員能夠清晰地觀察到微觀結構的細節。此外，掃描透射電子顯微鏡（STEM）結合高角環形暗場（HAADF）探測器，可以根據材料的原子序大小呈現不同的亮度灰階，增強材料層之間的對比度，從而實現更精確的成分鑒別。透射電鏡的應用不僅局限于上述領域，隨著技術的不斷發展，其在納米技術、能源材料等新興領域的應用也將不斷拓展。