TEM的工作原理

透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope, TEM）是一種利用高能電子束穿透樣品，通過(guò)電磁透鏡成像和分析的精密儀器。其工作原理基于電子束與樣品的相互作用，具體過(guò)程如下：

1.電子束生成

電子槍（常見(jiàn)類型有鎢絲、六硼化鑭或場(chǎng)發(fā)射）發(fā)射高能電子，能量通常在60 - 300 keV之間。這些電子經(jīng)過(guò)聚光鏡聚焦，形成平行的電子束，為后續(xù)的成像和分析提供穩(wěn)定的電子源。

2.樣品相互作用

電子束穿透超薄樣品（厚度一般小于100 nm）。在這個(gè)過(guò)程中，部分電子會(huì)被樣品吸收或散射，而未散射的電子則直接透射。散射電子攜帶了樣品結(jié)構(gòu)的重要信息，這些信息是成像和分析的關(guān)鍵。

3.成像與檢測(cè)

透射電子和散射電子經(jīng)過(guò)物鏡、中間鏡和投影鏡的多級(jí)放大，最終在熒光屏或CCD相機(jī)上形成高分辨率的圖像。根據(jù)成像方式的不同，可以得到明場(chǎng)像或暗場(chǎng)像。這種透射成像方式使TEM能夠直接觀察樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如晶體的原子排列、界面性質(zhì)和內(nèi)部缺陷等，為科學(xué)研究提供了深入的結(jié)構(gòu)信息。

4.信號(hào)分析

TEM還可以搭配能譜儀（EDS）進(jìn)行元素成分分析，或利用電子能量損失譜（EELS）研究化學(xué)鍵和電子結(jié)構(gòu)。這些分析手段進(jìn)一步拓展了TEM的應(yīng)用范圍和研究深度。

TEM的工作模式

TEM具有多種工作模式，每種模式針對(duì)不同的表征需求，具有獨(dú)特的成像特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。

1.明場(chǎng)成像（Bright Field Imaging）

這是TEM中最常用的成像模式。透射的電子束穿過(guò)樣品后形成圖像，未被散射的電子被收集到圖像中。較厚區(qū)域或晶體中強(qiáng)烈散射的區(qū)域通常表現(xiàn)為暗的對(duì)比度，而薄區(qū)域或未散射的區(qū)域則表現(xiàn)為亮的對(duì)比度。這種模式適用于觀察樣品的整體形貌、厚度分布以及晶體缺陷等。

2.暗場(chǎng)成像（Dark Field Imaging）

暗場(chǎng)成像通過(guò)選擇某一特定的散射角度電子（而非直射電子）進(jìn)行成像，能夠突出樣品中某些特定的晶面、缺陷或顆粒。通過(guò)暗場(chǎng)成像，研究者可以對(duì)不同的晶相或局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)觀察。

3.高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）

HRTEM模式通過(guò)直接成像電子波的干涉圖樣，可以獲得晶體結(jié)構(gòu)的原子級(jí)分辨率圖像。HRTEM可以分辨晶體中的原子排列，并用于研究材料的晶體結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)、缺陷等原子級(jí)特征。

4.電子衍射（Electron Diffraction）

電子衍射是基于電子束與晶體相互作用后產(chǎn)生的衍射圖樣來(lái)分析材料的晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)測(cè)量電子衍射圖中不同衍射點(diǎn)的位置和強(qiáng)度，可以確定晶格常數(shù)、晶體取向和相組成。常見(jiàn)的電子衍射模式包括選區(qū)電子衍射（SAED）和匯聚束電子衍射（CBED）。

5.能量色散X射線光譜（EDS/EDX）

EDS結(jié)合TEM使用，可以檢測(cè)電子與樣品原子相互作用后產(chǎn)生的特征X射線。通過(guò)分析這些X射線的能量，可以確定樣品中元素的種類和分布。這種方法適合進(jìn)行局部的化學(xué)成分分析。

6.電子能量損失譜（EELS）

EELS用于測(cè)量電子在穿過(guò)樣品時(shí)損失的能量，這種能量損失包含材料的化學(xué)成分、價(jià)態(tài)、電子結(jié)構(gòu)等信息。EELS能提供更精細(xì)的化學(xué)成分分析和價(jià)態(tài)信息，相較于EDS具有更高的靈敏度。

TEM的測(cè)試流程

1.樣品制備

固體樣品：通過(guò)機(jī)械拋光、離子減薄或聚焦離子束（FIB）制成超薄片（厚度小于100 nm）。

粉末/液體樣品：分散在支持膜上，干燥后進(jìn)行觀測(cè)。金鑒實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)操作，確保每一個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)都精準(zhǔn)無(wú)誤地符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

生物樣品：需經(jīng)過(guò)固定、脫水、樹(shù)脂包埋和超薄切片等處理（可能需重金屬染色增強(qiáng)對(duì)比度）。

2.儀器操作

進(jìn)樣：將制備好的樣品置于樣品桿頭部的載樣臺(tái)上，用壓片壓緊并旋緊固定螺絲。檢查并清理樣品桿前段肉眼可見(jiàn)的雜質(zhì)和灰塵，然后將樣品桿插入設(shè)備，根據(jù)設(shè)備參數(shù)設(shè)定進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)樣。

形貌拍攝：拍攝前首先調(diào)節(jié)電子束、光闌、焦距、像散等參數(shù)，并調(diào)節(jié)至合適的亮度。然后在Low MAG模式下找到載網(wǎng)上有樣品的區(qū)域，之后切換到MAG模式找到樣品具體位置進(jìn)行形貌拍攝。

選區(qū)衍射：先找到特定的位置，選擇合適大小的光闌，并根據(jù)衍射花樣調(diào)節(jié)相機(jī)參數(shù)。拍攝非晶或多晶衍射時(shí)應(yīng)插入擋針遮擋透射斑，拍攝單晶衍射時(shí)可以適當(dāng)傾轉(zhuǎn)樣品至合適的帶軸。

STEM模式成像：先在TEM模式下找到特定位置，之后將拍攝模式切換至STEM模式，調(diào)節(jié)電子束、光闌、焦距、像散等參數(shù)，并調(diào)節(jié)至合適的亮度進(jìn)行拍攝。

能譜分析：先在TEM模式下找到特定位置，之后將拍攝模式切換至STEM模式，插入能譜探測(cè)器并在能譜軟件上設(shè)置掃描的元素及方式等參數(shù)后進(jìn)行能譜分析。

3.數(shù)據(jù)處理

通過(guò)專業(yè)軟件（如DigitalMicrograph、Gatan）對(duì)獲取的圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括晶格條紋、衍射斑點(diǎn)或元素分布等。

TEM的應(yīng)用領(lǐng)域

1.材料科學(xué)

晶體缺陷觀察：能夠清晰地觀察到晶體中的位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷。

納米顆粒表征：可以精確測(cè)量納米顆粒的尺寸、形貌和結(jié)晶性。

界面原子排列分析：通過(guò)分析晶格條紋的間距和取向，確定材料的晶體相和晶體取向。

相變分析：如馬氏體相變的研究。

催化劑活性位點(diǎn)表征：有助于理解催化劑的活性機(jī)制。

2.化學(xué)與納米技術(shù)

納米材料表征：如碳管、量子點(diǎn)等納米材料的原子級(jí)結(jié)構(gòu)分析。

金屬有機(jī)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：用于觀察化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，如鋰離子電池充放電過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化。

TEM的樣品準(zhǔn)備方法

1.電壓

使用電壓通常為200 kV或300 kV，具體電壓選擇取決于樣品的性質(zhì)和研究需求。

2.樣品狀態(tài)

粉體樣品：質(zhì)量需大于2 mg。

液體樣品：體積需大于1 ml。

薄膜或塊狀樣品：不能直接拍攝，需另行制樣，如通過(guò)離子減薄、包埋切片、FIB等方法處理。

3.樣品厚度

樣品的厚度應(yīng)不超過(guò)100 nm。如果顆粒稍大，可通過(guò)FIB減薄或其他方法處理至100 nm以下（可先通過(guò)SEM判定顆粒大?。?。

4.制樣載網(wǎng)的選擇

普通碳膜/銅網(wǎng)：適用于拍攝低倍材料或生物樣品。

超薄碳網(wǎng)：適用于量子點(diǎn)、小顆粒等尺寸較小的材料。

微柵銅網(wǎng)：適用于500 nm以上管狀、棒狀、納米團(tuán)聚物樣品。

鉬網(wǎng)/金網(wǎng)：適用于含Cu樣品的能譜采集。

雙聯(lián)網(wǎng)：適用于強(qiáng)磁性材料。

5.磁性樣品

磁性定義：含鐵、鈷、鎳、錳等磁性元素的樣品均為磁性樣品。磁性分為硬磁和軟磁，有些材料在外部磁場(chǎng)作用下容易磁化，受熱后磁性增強(qiáng)，也應(yīng)定義為磁性樣品。

磁性樣品要求：顆粒大小不超過(guò)200 nm。不接受自行制樣的磁性樣品，需由專業(yè)人員處理，以確保樣品的穩(wěn)定性和成像質(zhì)量。

預(yù)約說(shuō)明：在預(yù)約測(cè)試時(shí)，務(wù)必如實(shí)填寫(xiě)樣品是否含磁及磁性的強(qiáng)弱，以便測(cè)試人員采取相應(yīng)的措施，確保測(cè)試的順利進(jìn)行。

透射電子顯微鏡（TEM）憑借其高分辨率和多種成像模式，已成為材料科學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域不可或缺的研究工具。通過(guò)精確的樣品制備和規(guī)范的儀器操作，TEM能夠?yàn)榭茖W(xué)研究提供豐富的微觀結(jié)構(gòu)信息，推動(dòng)各學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。