透射電鏡的成像原理

透射電子顯微鏡（TEM）是一種利用波長極短的電子束作為照明源的高分辨率電子光學(xué)儀器。其成像原理基于電子束與樣品的相互作用。電子槍發(fā)射出的電子束經(jīng)過加速和聚焦后照射到樣品上，電子束的強度和方向會因樣品內(nèi)部的材料結(jié)構(gòu)差異而發(fā)生改變。由于樣品各部位的材料結(jié)構(gòu)不同，經(jīng)過相互作用后的電子束在熒光屏上形成的影像各點強度也不一樣，從而呈現(xiàn)出明暗不同的圖像。透射電鏡的成像過程可以分為兩個階段。首先是平行電子束與樣品相互作用，發(fā)生散射，形成各級衍射譜，即從物體到衍射的過程。隨后，這些衍射譜經(jīng)過干涉，在像平面上重新會聚成放大后的物像。

透射電鏡的結(jié)構(gòu)組成

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。光學(xué)成像系統(tǒng)是其核心部分，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)。照明系統(tǒng)負責(zé)產(chǎn)生具有一定能量、足夠亮度和適當小孔徑角的穩(wěn)定電子束，其主要裝置包括電子槍和聚光鏡。電子槍發(fā)射電子束，聚光鏡則對電子束進行聚焦，使其能夠準確照射到樣品上。成像放大系統(tǒng)通過電磁透鏡對經(jīng)過樣品后的電子束進行放大，形成清晰的圖像。圖像觀察記錄系統(tǒng)則用于觀察和記錄最終的成像結(jié)果，通常包括熒光屏和電子探測器等設(shè)備。

透射電鏡的應(yīng)用場景

在材料科學(xué)中，它可以用于分析材料的微觀結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、相組成等。例如，通過高分辨TEM（HRTEM）圖像，可以獲得晶格條紋像，從而反映晶面間距信息；還可以獲得結(jié)構(gòu)像及單個原子像，揭示晶體結(jié)構(gòu)中原子或原子團的配置情況。這些信息對于理解材料的性能和優(yōu)化材料制備工藝具有重要意義。

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，透射電鏡能夠幫助研究人員精確測量先進制程芯片的工藝尺寸、器件的柵氧厚度，并分析其組成成分。明暗場襯度圖像模式可提供高達100萬倍的放大倍數(shù)，使研究人員能夠清晰地觀察到微觀結(jié)構(gòu)的細節(jié)。此外，掃描透射電子顯微鏡（STEM）結(jié)合高角環(huán)形暗場（HAADF）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，增強材料層之間的對比度，從而實現(xiàn)更精確的成分鑒別。透射電鏡的應(yīng)用不僅局限于上述領(lǐng)域，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其在納米技術(shù)、能源材料等新興領(lǐng)域的應(yīng)用也將不斷拓展。