透射电子显微镜（TEM）

透射电子显微镜（TEM）是一种高分辨率成像技术，利用穿过超薄样品的电子束形成图像。TEM可实现原子级分辨率，对于表征纳米材料、晶体结构和细胞超微结构至关重要。

TEM原理

在TEM中，电子被加速到高能量（通常为60–300 keV），并通过电磁聚光镜聚焦到样品上。电子束穿过样品，出射电子被物镜收集，形成图像或衍射花样。TEM图像中的对比度源自样品中电子密度、厚度和晶体学取向的差异。

高能电子的德布罗意波长比可见光短得多。在200 keV下，电子波长约为2.5 pm，使得理论分辨率低于1 Å。在实践中，透镜像差将分辨率限制在像差校正仪器的约0.5–1 Å。

TEM镜筒包括电子枪（通常为场发射电子枪FEG以实现高亮度和相干性）、控制照明条件的聚光镜、允许精确定位、倾斜和加热或冷却的样品台，以及对于成像最关键的物镜。投影镜将图像或衍射花样放大到检测器上，通常为CCD或CMOS相机或直接电子检测器。

镜筒中的光阑允许选择特定的束斑尺寸和散射角度。整个镜筒保持高真空以防止电子被气体分子散射。

质量-厚度对比度在较厚或密度较大的区域将更多电子散射出射束时产生，使这些区域在图像中显得更暗。衍射对比度来自晶体样品，其中以布拉格角取向的晶粒强烈散射电子。相位对比度由透射束和散射束之间的干涉产生，是原子晶格高分辨TEM（HRTEM）成像的基础。

扫描TEM（STEM）模式将电子束聚焦成精细探针，在样品上进行光栅扫描。收集环形暗场（ADF）和高角环形暗场（HAADF）信号的检测器提供Z衬度图像，其强度随原子序数增加而增加。

样品制备是TEM中最关键和最具挑战性的方面。样品必须薄到足以让电子透过，对于常规TEM通常小于100 nm，对于高分辨工作低于50 nm。

对于材料，电解抛光可在金属中产生电子透明区域。聚焦离子束（FIB）铣削从块状样品中提取特定位置的薄片。陶瓷和半导体使用机械抛光后加氩离子铣削。纳米颗粒只需沉积在碳膜覆盖的铜网上。

对于生物样品，用戊二醛和四氧化锇进行化学固定，然后脱水和包埋在环氧树脂中。在超薄切片机上用金刚石刀切割超薄切片。玻璃化冷冻含水样品的冷冻TEM避免了固定伪影并保留了天然结构。

选区电子衍射（SAED）提供小至几百纳米区域的晶体学信息。会聚束电子衍射（CBED）提供纳米尺度体积的三维对称性信息。

TEM中的能量色散X射线光谱（EDS或EDX）检测特征X射线，用于纳米尺度的元素组成分析。电子能量损失谱（EELS）测量透射电子的能量分布，提供元素组成、化学键合和电子结构信息。EELS对碳、氮和氧等轻元素特别敏感。

TEM对于表征纳米颗粒、量子点、纳米线和石墨烯等二维材料至关重要。在冶金学中，它揭示位错、晶界和析出相。在半导体制造中，TEM测量栅氧化物厚度和沟道尺寸。在生物学中，冷冻TEM通过确定蛋白质复合物、病毒和膜蛋白的原子结构，革新了结构生物学。

TEM需要大量的样品制备，可能引入伪影。该技术在高真空下运行，使用的高能电子可能损伤束流敏感样品。HRTEM图像的解读需要复杂的模拟和专业知识。仪器昂贵，需要专门的设施和经过培训的操作人员。