什么是透射电镜？

透射电子显微镜（TEM，Transmission Electron Microscope），简称透射电镜，是一种以波长极短的电子束作为照明源的高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。

透射电子显微镜的工作原理是通过电子枪发射电子束，经加速和聚焦后照射在样品上。电子束与样品相互作用后，强度和方向均发生改变，由于样品各部位材料结构不同，投放到荧光屏上的各点强度也会不同，从而形成明暗不同的影像。

透射电镜主要由光学成像系统、真空系统和电气系统三部分组成。其中，光学成像系统是核心部分，主要包括照明系统、成像放大系统和图像观察记录系统。

成像过程的两个阶段

1.平行电子束与样品相互作用

遭到物的散射作用而分裂成为各级衍射谱，即由物变换到衍射的过程。在这个过程中，电子束与样品的原子相互作用，发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射的电子保持其能量不变，但方向发生改变，形成衍射谱；而非弹性散射的电子则会损失部分能量，产生二次电子、特征X射线等信号，这些信号可以用于分析样品的成分和结构信息。

2.各级衍射谱经过干涉重新在像平面上会聚成诸像点

即由衍射重新变换到物（像是放大了的物）的过程。在这个过程中，不同方向的衍射束相互干涉，形成明暗相间的条纹或斑点，这些条纹或斑点的分布规律与样品的晶体结构密切相关。通过分析这些条纹或斑点的形状、大小和位置，可以获取样品的晶面间距、晶格参数、晶体取向等信息，从而实现对样品微观结构的高分辨率成像。

材料科学

透射电镜可用于研究材料的晶体结构、相组成、缺陷分布等。高分辨TEM（HRTEM）图像则能够获得晶格条纹像，反映晶面间距信息，以及结构像和单个原子像，揭示晶体结构中原子或原子团的配置情况，为材料的微观结构研究提供更高分辨率的图像信息。

2.半导体技术

对于半导体行业，透射电镜是研究先进制程芯片的关键工具。它可以精确测量芯片的工艺尺寸，如器件的栅氧厚度，分析其组成成分，帮助工程师优化芯片的制造工艺，提高芯片的性能和可靠性。TEM的操作模式多样，以适应不同的分析需求。此外，STEM（扫描透射电子显微镜）模式配合HAADF（高角环形暗场）探测器，可以根据材料的原子序大小呈现不同的亮度灰阶，加强材料层之间的对比，相较于传统视野影像具有更佳的成分鉴别率，能够更准确地分析半导体材料的成分分布和界面结构。

其他应用

透射电镜还可以与其他分析技术相结合，如EDX（能量色散X射线光谱）用于元素点、线、面扫描分析，SAD（选区电子衍射）用于微米级微小区域结构特征分析等，进一步拓展了其应用范围和功能。

透射电镜分析

透射电镜的分析样图能够直观地展示其强大的功能和应用效果。例如，晶体管的定点成分分析样图可以清晰地显示出晶体管不同区域的元素分布情况，为半导体器件的性能优化提供重要参考。线扫描分析样图和面扫描分析样图则能够揭示样品中元素的分布规律和浓度梯度，有助于研究材料的成分均匀性和扩散行为。晶向分析样图则可以确定晶体的取向和对称性，为材料的晶体学研究提供关键信息。

透射电镜作为一种高精度的微观分析仪器，凭借其卓越的性能和广泛的应用范围，在现代科学研究中发挥着不可替代的重要作用。