透射电子显微镜（TEM）技术详解

TEM的工作原理

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）是一种利用高能电子束穿透样品，通过电磁透镜成像和分析的精密仪器。其工作原理基于电子束与样品的相互作用，具体过程如下：

1.电子束生成

电子枪（常见类型有钨丝、六硼化镧或场发射）发射高能电子，能量通常在60 - 300 keV之间。这些电子经过聚光镜聚焦，形成平行的电子束，为后续的成像和分析提供稳定的电子源。

2.样品相互作用

电子束穿透超薄样品（厚度一般小于100 nm）。在这个过程中，部分电子会被样品吸收或散射，而未散射的电子则直接透射。散射电子携带了样品结构的重要信息，这些信息是成像和分析的关键。

3.成像与检测

透射电子和散射电子经过物镜、中间镜和投影镜的多级放大，最终在荧光屏或CCD相机上形成高分辨率的图像。根据成像方式的不同，可以得到明场像或暗场像。这种透射成像方式使TEM能够直接观察样品的内部结构，如晶体的原子排列、界面性质和内部缺陷等，为科学研究提供了深入的结构信息。

4.信号分析

TEM还可以搭配能谱仪（EDS）进行元素成分分析，或利用电子能量损失谱（EELS）研究化学键和电子结构。这些分析手段进一步拓展了TEM的应用范围和研究深度。

TEM的工作模式

TEM具有多种工作模式，每种模式针对不同的表征需求，具有独特的成像特点和应用场景。

1.明场成像（Bright Field Imaging）

这是TEM中最常用的成像模式。透射的电子束穿过样品后形成图像，未被散射的电子被收集到图像中。较厚区域或晶体中强烈散射的区域通常表现为暗的对比度，而薄区域或未散射的区域则表现为亮的对比度。这种模式适用于观察样品的整体形貌、厚度分布以及晶体缺陷等。

2.暗场成像（Dark Field Imaging）

暗场成像通过选择某一特定的散射角度电子（而非直射电子）进行成像，能够突出样品中某些特定的晶面、缺陷或颗粒。通过暗场成像，研究者可以对不同的晶相或局部结构进行详细观察。

3.高分辨透射电子显微镜（HRTEM）

HRTEM模式通过直接成像电子波的干涉图样，可以获得晶体结构的原子级分辨率图像。HRTEM可以分辨晶体中的原子排列，并用于研究材料的晶体结构、位错、缺陷等原子级特征。

4.电子衍射（Electron Diffraction）

电子衍射是基于电子束与晶体相互作用后产生的衍射图样来分析材料的晶体结构。通过测量电子衍射图中不同衍射点的位置和强度，可以确定晶格常数、晶体取向和相组成。常见的电子衍射模式包括选区电子衍射（SAED）和汇聚束电子衍射（CBED）。

5.能量色散X射线光谱（EDS/EDX）

EDS结合TEM使用，可以检测电子与样品原子相互作用后产生的特征X射线。通过分析这些X射线的能量，可以确定样品中元素的种类和分布。这种方法适合进行局部的化学成分分析。

6.电子能量损失谱（EELS）

EELS用于测量电子在穿过样品时损失的能量，这种能量损失包含材料的化学成分、价态、电子结构等信息。EELS能提供更精细的化学成分分析和价态信息，相较于EDS具有更高的灵敏度。

TEM的测试流程

1.样品制备

固体样品：通过机械抛光、离子减薄或聚焦离子束（FIB）制成超薄片（厚度小于100 nm）。

粉末/液体样品：分散在支持膜上，干燥后进行观测。金鉴实验室在进行试验时，严格遵循相关标准操作，确保每一个测试环节都精准无误地符合标准要求。

生物样品：需经过固定、脱水、树脂包埋和超薄切片等处理（可能需重金属染色增强对比度）。

2.仪器操作

进样：将制备好的样品置于样品杆头部的载样台上，用压片压紧并旋紧固定螺丝。检查并清理样品杆前段肉眼可见的杂质和灰尘，然后将样品杆插入设备，根据设备参数设定进行手动或自动进样。

形貌拍摄：拍摄前首先调节电子束、光阑、焦距、像散等参数，并调节至合适的亮度。然后在Low MAG模式下找到载网上有样品的区域，之后切换到MAG模式找到样品具体位置进行形貌拍摄。

选区衍射：先找到特定的位置，选择合适大小的光阑，并根据衍射花样调节相机参数。拍摄非晶或多晶衍射时应插入挡针遮挡透射斑，拍摄单晶衍射时可以适当倾转样品至合适的带轴。

STEM模式成像：先在TEM模式下找到特定位置，之后将拍摄模式切换至STEM模式，调节电子束、光阑、焦距、像散等参数，并调节至合适的亮度进行拍摄。

能谱分析：先在TEM模式下找到特定位置，之后将拍摄模式切换至STEM模式，插入能谱探测器并在能谱软件上设置扫描的元素及方式等参数后进行能谱分析。

3.数据处理

通过专业软件（如DigitalMicrograph、Gatan）对获取的图像和数据进行分析，包括晶格条纹、衍射斑点或元素分布等。

TEM的应用领域

1.材料科学

晶体缺陷观察：能够清晰地观察到晶体中的位错、层错等缺陷。

纳米颗粒表征：可以精确测量纳米颗粒的尺寸、形貌和结晶性。

界面原子排列分析：通过分析晶格条纹的间距和取向，确定材料的晶体相和晶体取向。

相变分析：如马氏体相变的研究。

催化剂活性位点表征：有助于理解催化剂的活性机制。

2.化学与纳米技术

纳米材料表征：如碳管、量子点等纳米材料的原子级结构分析。

金属有机框架（MOFs）孔隙分析：有助于理解MOFs的吸附和催化性能。

原位TEM研究：用于观察化学反应过程，如锂离子电池充放电过程中的结构变化。

TEM的样品准备方法

1.电压

使用电压通常为200 kV或300 kV，具体电压选择取决于样品的性质和研究需求。

2.样品状态

粉体样品：质量需大于2 mg。

液体样品：体积需大于1 ml。

薄膜或块状样品：不能直接拍摄，需另行制样，如通过离子减薄、包埋切片、FIB等方法处理。

3.样品厚度

样品的厚度应不超过100 nm。如果颗粒稍大，可通过FIB减薄或其他方法处理至100 nm以下（可先通过SEM判定颗粒大小）。

4.制样载网的选择

普通碳膜/铜网：适用于拍摄低倍材料或生物样品。

超薄碳网：适用于量子点、小颗粒等尺寸较小的材料。

微栅铜网：适用于500 nm以上管状、棒状、纳米团聚物样品。

钼网/金网：适用于含Cu样品的能谱采集。

双联网：适用于强磁性材料。

5.磁性样品

磁性定义：含铁、钴、镍、锰等磁性元素的样品均为磁性样品。磁性分为硬磁和软磁，有些材料在外部磁场作用下容易磁化，受热后磁性增强，也应定义为磁性样品。

磁性样品要求：颗粒大小不超过200 nm。不接受自行制样的磁性样品，需由专业人员处理，以确保样品的稳定性和成像质量。

预约说明：在预约测试时，务必如实填写样品是否含磁及磁性的强弱，以便测试人员采取相应的措施，确保测试的顺利进行。

透射电子显微镜（TEM）凭借其高分辨率和多种成像模式，已成为材料科学、生物学、化学等领域不可或缺的研究工具。通过精确的样品制备和规范的仪器操作，TEM能够为科学研究提供丰富的微观结构信息，推动各学科领域的发展。