TEM的工作原理

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，通過電磁透鏡成像和分析的精密儀器。其工作原理基于電子束與樣品的相互作用，具體過程如下：

1.電子束生成

電子槍（常見類型有鎢絲、六硼化鑭或場發射）發射高能電子，能量通常在60 - 300 keV之間。這些電子經過聚光鏡聚焦，形成平行的電子束，為后續的成像和分析提供穩定的電子源。

2.樣品相互作用

電子束穿透超薄樣品（厚度一般小于100 nm）。在這個過程中，部分電子會被樣品吸收或散射，而未散射的電子則直接透射。散射電子攜帶了樣品結構的重要信息，這些信息是成像和分析的關鍵。

3.成像與檢測

透射電子和散射電子經過物鏡、中間鏡和投影鏡的多級放大，最終在熒光屏或CCD相機上形成高分辨率的圖像。根據成像方式的不同，可以得到明場像或暗場像。這種透射成像方式使TEM能夠直接觀察樣品的內部結構，如晶體的原子排列、界面性質和內部缺陷等，為科學研究提供了深入的結構信息。

4.信號分析

TEM還可以搭配能譜儀（EDS）進行元素成分分析，或利用電子能量損失譜（EELS）研究化學鍵和電子結構。這些分析手段進一步拓展了TEM的應用范圍和研究深度。

TEM的工作模式

TEM具有多種工作模式，每種模式針對不同的表征需求，具有獨特的成像特點和應用場景。

1.明場成像（Bright Field Imaging）

這是TEM中最常用的成像模式。透射的電子束穿過樣品后形成圖像，未被散射的電子被收集到圖像中。較厚區域或晶體中強烈散射的區域通常表現為暗的對比度，而薄區域或未散射的區域則表現為亮的對比度。這種模式適用于觀察樣品的整體形貌、厚度分布以及晶體缺陷等。

2.暗場成像（Dark Field Imaging）

暗場成像通過選擇某一特定的散射角度電子（而非直射電子）進行成像，能夠突出樣品中某些特定的晶面、缺陷或顆粒。通過暗場成像，研究者可以對不同的晶相或局部結構進行詳細觀察。

3.高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）

HRTEM模式通過直接成像電子波的干涉圖樣，可以獲得晶體結構的原子級分辨率圖像。HRTEM可以分辨晶體中的原子排列，并用于研究材料的晶體結構、位錯、缺陷等原子級特征。

4.電子衍射（Electron Diffraction）

電子衍射是基于電子束與晶體相互作用后產生的衍射圖樣來分析材料的晶體結構。通過測量電子衍射圖中不同衍射點的位置和強度，可以確定晶格常數、晶體取向和相組成。常見的電子衍射模式包括選區電子衍射（SAED）和匯聚束電子衍射（CBED）。

5.能量色散X射線光譜（EDS/EDX）

EDS結合TEM使用，可以檢測電子與樣品原子相互作用后產生的特征X射線。通過分析這些X射線的能量，可以確定樣品中元素的種類和分布。這種方法適合進行局部的化學成分分析。

6.電子能量損失譜（EELS）

EELS用于測量電子在穿過樣品時損失的能量，這種能量損失包含材料的化學成分、價態、電子結構等信息。EELS能提供更精細的化學成分分析和價態信息，相較于EDS具有更高的靈敏度。

TEM的測試流程

1.樣品制備

固體樣品：通過機械拋光、離子減薄或聚焦離子束（FIB）制成超薄片（厚度小于100 nm）。

粉末/液體樣品：分散在支持膜上，干燥后進行觀測。金鑒實驗室在進行試驗時，嚴格遵循相關標準操作，確保每一個測試環節都精準無誤地符合標準要求。

生物樣品：需經過固定、脫水、樹脂包埋和超薄切片等處理（可能需重金屬染色增強對比度）。

2.儀器操作

進樣：將制備好的樣品置于樣品桿頭部的載樣臺上，用壓片壓緊并旋緊固定螺絲。檢查并清理樣品桿前段肉眼可見的雜質和灰塵，然后將樣品桿插入設備，根據設備參數設定進行手動或自動進樣。

形貌拍攝：拍攝前首先調節電子束、光闌、焦距、像散等參數，并調節至合適的亮度。然后在Low MAG模式下找到載網上有樣品的區域，之后切換到MAG模式找到樣品具體位置進行形貌拍攝。

選區衍射：先找到特定的位置，選擇合適大小的光闌，并根據衍射花樣調節相機參數。拍攝非晶或多晶衍射時應插入擋針遮擋透射斑，拍攝單晶衍射時可以適當傾轉樣品至合適的帶軸。

STEM模式成像：先在TEM模式下找到特定位置，之后將拍攝模式切換至STEM模式，調節電子束、光闌、焦距、像散等參數，并調節至合適的亮度進行拍攝。

能譜分析：先在TEM模式下找到特定位置，之后將拍攝模式切換至STEM模式，插入能譜探測器并在能譜軟件上設置掃描的元素及方式等參數后進行能譜分析。

3.數據處理

通過專業軟件（如DigitalMicrograph、Gatan）對獲取的圖像和數據進行分析，包括晶格條紋、衍射斑點或元素分布等。

TEM的應用領域

1.材料科學

晶體缺陷觀察：能夠清晰地觀察到晶體中的位錯、層錯等缺陷。

納米顆粒表征：可以精確測量納米顆粒的尺寸、形貌和結晶性。

界面原子排列分析：通過分析晶格條紋的間距和取向，確定材料的晶體相和晶體取向。

相變分析：如馬氏體相變的研究。

催化劑活性位點表征：有助于理解催化劑的活性機制。

2.化學與納米技術

納米材料表征：如碳管、量子點等納米材料的原子級結構分析。

金屬有機框架（MOFs）孔隙分析：有助于理解MOFs的吸附和催化性能。

原位TEM研究：用于觀察化學反應過程，如鋰離子電池充放電過程中的結構變化。

TEM的樣品準備方法

1.電壓

使用電壓通常為200 kV或300 kV，具體電壓選擇取決于樣品的性質和研究需求。

2.樣品狀態

粉體樣品：質量需大于2 mg。

液體樣品：體積需大于1 ml。

薄膜或塊狀樣品：不能直接拍攝，需另行制樣，如通過離子減薄、包埋切片、FIB等方法處理。

3.樣品厚度

樣品的厚度應不超過100 nm。如果顆粒稍大，可通過FIB減薄或其他方法處理至100 nm以下（可先通過SEM判定顆粒大?。?。

4.制樣載網的選擇

普通碳膜/銅網：適用于拍攝低倍材料或生物樣品。

超薄碳網：適用于量子點、小顆粒等尺寸較小的材料。

微柵銅網：適用于500 nm以上管狀、棒狀、納米團聚物樣品。

鉬網/金網：適用于含Cu樣品的能譜采集。

雙聯網：適用于強磁性材料。

5.磁性樣品

磁性定義：含鐵、鈷、鎳、錳等磁性元素的樣品均為磁性樣品。磁性分為硬磁和軟磁，有些材料在外部磁場作用下容易磁化，受熱后磁性增強，也應定義為磁性樣品。

磁性樣品要求：顆粒大小不超過200 nm。不接受自行制樣的磁性樣品，需由專業人員處理，以確保樣品的穩定性和成像質量。

預約說明：在預約測試時，務必如實填寫樣品是否含磁及磁性的強弱，以便測試人員采取相應的措施，確保測試的順利進行。

透射電子顯微鏡（TEM）憑借其高分辨率和多種成像模式，已成為材料科學、生物學、化學等領域不可或缺的研究工具。通過精確的樣品制備和規范的儀器操作，TEM能夠為科學研究提供豐富的微觀結構信息，推動各學科領域的發展。