技術本質

透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope, TEM）是一種以高能電子束代替可見光、利用電磁透鏡實現聚焦與放大的成像系統。

其工作邏輯可以概括為：

1. 電子槍發射高速電子；

2. 超薄樣品對電子產生散射、衍射或能量損失；

3. 散射后的電子被多級電磁透鏡接力放大；

4. 探測器把電子信號轉換為二維圖像或衍射花樣。

由于電子波長（0.00251 nm @ 200 kV）遠小于可見光（400–700 nm），TEM的理論空間分辨率可達 0.05 nm，能夠直接分辨原子柱、晶格缺陷、界面位錯乃至單個大分子。

分辨率

1.三大常用指標

點分辨率：兩個獨立點之間的最小可分辨距離，日常報告中“0.1 nm”即指此值。

晶格分辨率：對周期性晶格條紋的極限分辨能力，通常高于點分辨率。

信息分辨率：傅立葉變換可識別的最高空間頻率，代表儀器可傳遞的全部結構信息。

2.理論極限公式

阿貝方程給出 d = 0.61λ/β，其中 λ 為電子波長，β 為物鏡收集半角；提高加速電壓→λ 減小→d 減小。但真實儀器還受球差 Cs、色差 Cc、像散、樣品漂移及信噪比限制。

Scherzer 分辨率：在特定欠焦量下，球差與衍射限平衡，rSch = 0.66 Cs^(1/4) λ^(3/4)。

STEM 模式：分辨率近似等于入射束直徑，束徑由會聚角、電子源亮度與透鏡像差共同決定。

像差

1.球差（Spherical Aberration）

離軸電子被過度折射，點物成像為彌散圓盤。校正球差需引入非旋轉對稱的多極透鏡或 Cs 校正器。

2.色差（Chromatic Aberration）

能量分散 ΔE 導致電子折射率不同，形成色散圓盤。超薄樣品（< 50 nm）可減小 ΔE 影響；單色器或 Cc 校正器可進一步抑制。 ?

3.像散（Astigmatism）

透鏡磁場非圓對稱使焦點呈“線狀”，通過八極消像散器可動態補償。

襯度機制

質量-厚度襯度：不同區域對電子散射能力差異產生明暗對比。

衍射襯度：晶體取向差異導致特定晶面滿足/偏離布拉格條件，晶界、位錯呈現條紋或消光輪廓。

相位襯度：利用電子波相位差干涉形成高分辨像，可解析晶格原子柱。

Z 襯度：重原子散射更強，在 STEM-HAADF 模式下形成原子序數對比。

能量過濾襯度：通過 EELS 或 EFTEM 選取特定能量損失電子，實現元素、化學態分布成像。

磁/電襯度：洛倫茲顯微術揭示磁疇；電子全息術測量內建電場。

核心部件與光路

電子槍：熱發射（LaB6）、肖特基場發射或冷場發射，決定亮度與能量分散。

鏡筒：多級電磁透鏡（聚光鏡、物鏡、中間鏡、投影鏡）與光闌系統協同，實現束斑縮小、放大倍率切換與衍射模式轉換。

真空系統：10??–10?? Pa 級高真空，避免電子散射與樣品污染。冷阱吸附殘余氣體。

樣品桿：雙傾、加熱、冷卻、拉伸多種功能，保證樣品位于物鏡“優中心”以減少離軸像差。

探測器

熒光屏/CCD：實時觀察與記錄；

STEM 探測器：環形暗場、明場、BF/HAADF；

EDS：元素面分布；

EELS：電子能量損失譜，提供化學鍵與價態信息。

成像模式

明場（BF）：插入物鏡光闌僅讓透射束通過，直觀反映樣品形貌與厚度。

暗場（DF）：移動光闌選取某一衍射束，突出特定晶粒或缺陷。

選區衍射（SAED）：在像平面插入選區光闌，獲得微米級區域的晶體學信息。

會聚束衍射（CBED）：納米束斑下實現晶系、對稱性、厚度定量。

STEM：掃描細束同步采集多種信號，實現原子分辨元素成像及光譜。

校準流程

1. 聚光鏡對中與像散校正：確保束斑圓形、居中。

2. 優中心高度：調整樣品 Z 軸，使旋轉傾轉時圖像不漂移。

3. 聚焦：利用菲涅爾條紋或 FFT 實時判斷正焦、欠焦與過焦。

4. 物鏡像散與光闌對中：最小化像散星芒，獲取高分辨細節。

參數設置范例

金屬合金（厚 150 nm，含析出相）：加速電壓 200 kV → 減小 λ、提高穿透力； 聚光鏡光闌 50 μm → 兼顧束斑尺寸與亮度； 物鏡光闌 20 μm → 提高衍射襯度； 束流 50–100 pA → 避免熱漂移；曝光 0.5–1 s，像素合并 2×2 → 平衡信噪比與輻射損傷。

生物切片（厚 70 nm，染色后）：100 kV 足夠穿透； 低劑量模式（≤ 10 e?/?2）減少輻照損傷；明場成像，-2 μm Scherzer 欠焦增強相位襯度； 冷凍轉移樣品桿（-180 °C）抑制污染與漂移。

優勢與限制

優勢：亞埃級分辨率直接觀察原子排列；衍射與光譜一體化，提供晶體學、化學、電子結構信息；環境擴展（原位加熱、液體、氣體）揭示動態過程。

限制：樣品厚度 < 200 nm，超薄制備繁瑣；高真空與電子束損傷限制生物、含水、易揮發樣品； 無法直接獲得三維表面形貌（需配合層析或原子探針）； 設備與維護成本高昂，操作者需長期培訓。

結語

TEM 不僅是納米世界的“超級放大鏡”，更是連接材料結構與宏觀性能的橋梁。通過持續優化像差校正、低劑量成像、原位環境與人工智能圖像解析，TEM 將在量子材料、能源催化、生物大分子動態過程等前沿領域繼續扮演關鍵角色。