透射電子顯微鏡（TEM，Transmission Electron Microscope），簡稱透射電鏡，是一種以波長極短的電子束作為照明源的高分辨率、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。

透射電子顯微鏡的工作原理是通過電子槍發(fā)射電子束，經(jīng)加速和聚焦后照射在樣品上。電子束與樣品相互作用后，強(qiáng)度和方向均發(fā)生改變，由于樣品各部位材料結(jié)構(gòu)不同，投放到熒光屏上的各點(diǎn)強(qiáng)度也會不同，從而形成明暗不同的影像。

透射電鏡主要由光學(xué)成像系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)三部分組成。其中，光學(xué)成像系統(tǒng)是核心部分，主要包括照明系統(tǒng)、成像放大系統(tǒng)和圖像觀察記錄系統(tǒng)。

成像過程的兩個階段

1.平行電子束與樣品相互作用

遭到物的散射作用而分裂成為各級衍射譜，即由物變換到衍射的過程。在這個過程中，電子束與樣品的原子相互作用，發(fā)生彈性散射和非彈性散射。彈性散射的電子保持其能量不變，但方向發(fā)生改變，形成衍射譜；而非彈性散射的電子則會損失部分能量，產(chǎn)生二次電子、特征X射線等信號，這些信號可以用于分析樣品的成分和結(jié)構(gòu)信息。

2.各級衍射譜經(jīng)過干涉重新在像平面上會聚成諸像點(diǎn)

即由衍射重新變換到物（像是放大了的物）的過程。在這個過程中，不同方向的衍射束相互干涉，形成明暗相間的條紋或斑點(diǎn)，這些條紋或斑點(diǎn)的分布規(guī)律與樣品的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。通過分析這些條紋或斑點(diǎn)的形狀、大小和位置，可以獲取樣品的晶面間距、晶格參數(shù)、晶體取向等信息，從而實(shí)現(xiàn)對樣品微觀結(jié)構(gòu)的高分辨率成像。

材料科學(xué)

透射電鏡可用于研究材料的晶體結(jié)構(gòu)、相組成、缺陷分布等。高分辨TEM（HRTEM）圖像則能夠獲得晶格條紋像，反映晶面間距信息，以及結(jié)構(gòu)像和單個原子像，揭示晶體結(jié)構(gòu)中原子或原子團(tuán)的配置情況，為材料的微觀結(jié)構(gòu)研究提供更高分辨率的圖像信息。

2.半導(dǎo)體技術(shù)

對于半導(dǎo)體行業(yè)，透射電鏡是研究先進(jìn)制程芯片的關(guān)鍵工具。它可以精確測量芯片的工藝尺寸，如器件的柵氧厚度，分析其組成成分，幫助工程師優(yōu)化芯片的制造工藝，提高芯片的性能和可靠性。TEM的操作模式多樣，以適應(yīng)不同的分析需求。此外，STEM（掃描透射電子顯微鏡）模式配合HAADF（高角環(huán)形暗場）探測器，可以根據(jù)材料的原子序大小呈現(xiàn)不同的亮度灰階，加強(qiáng)材料層之間的對比，相較于傳統(tǒng)視野影像具有更佳的成分鑒別率，能夠更準(zhǔn)確地分析半導(dǎo)體材料的成分分布和界面結(jié)構(gòu)。

其他應(yīng)用

透射電鏡還可以與其他分析技術(shù)相結(jié)合，如EDX（能量色散X射線光譜）用于元素點(diǎn)、線、面掃描分析，SAD（選區(qū)電子衍射）用于微米級微小區(qū)域結(jié)構(gòu)特征分析等，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍和功能。

透射電鏡分析

透射電鏡的分析樣圖能夠直觀地展示其強(qiáng)大的功能和應(yīng)用效果。例如，晶體管的定點(diǎn)成分分析樣圖可以清晰地顯示出晶體管不同區(qū)域的元素分布情況，為半導(dǎo)體器件的性能優(yōu)化提供重要參考。線掃描分析樣圖和面掃描分析樣圖則能夠揭示樣品中元素的分布規(guī)律和濃度梯度，有助于研究材料的成分均勻性和擴(kuò)散行為。晶向分析樣圖則可以確定晶體的取向和對稱性，為材料的晶體學(xué)研究提供關(guān)鍵信息。

透射電鏡作為一種高精度的微觀分析儀器，憑借其卓越的性能和廣泛的應(yīng)用范圍，在現(xiàn)代科學(xué)研究中發(fā)揮著不可替代的重要作用。