透射电子显微镜优点及应用探索物质结构之透射电子显微镜|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

探索物质结构之透射电子显微镜

眼睛是人类认识客观世界的第一架“光学仪器”，但它的能力却是有限的，通常认为人眼睛的分辨率为0.1 mm。17世纪初，光学显微镜（图1）出现，可以把细小的物体放大到千倍以上，分辨率比人眼睛提高了500 倍以上，这也是人类认识物质世界的一次巨大突破。随着科学技术的不断发展，直接观察到原子是人们一直以来的愿望，电子显微学的出现为人们实现这一夙愿提供了可能。随着电子显微学的不断发展和进步，透射电子显微镜（图2）的分辨率已经达到了亚埃量级，电子显微镜已经成为材料学领域不可或缺的表征手段。另外，电子显微学与纳米科学、生物学等的结合，使得电子显微镜的功能日渐扩大，同时它也促进了这些领域的飞速发展。

图1 罗伯特·胡克发明的光学显微镜（图片来源：百度网）

图2 HT7700-日立透射电子显微镜（图片来源：百度网）

透射电子显微镜的起源与发展

透射电子显微镜起源于20 世纪20~30 年代。1924 年，德布罗意提出了粒子具有波动性。1926—1927 年，Davisson、Germer 以及Thompson Reid 实验发现了电子衍射，从而证明了电子的波动性，因此想到可以用电子代替可见光来制作电子显微镜，以克服光波长对分辨率的限制。1926 年，德国学者Busch提出采用轴对称的磁场有可能使电子聚焦，为电子显微镜的制作提供了理论依据。1933年，Ruska 等人做出了世界上第一台透射电子显微镜。1934 年，电子显微镜的分辨率已经达到了500Å，Ruska 也因此获得了1986 年的诺贝尔物理学奖。1939 年，德国西门子公司造出了世界上第一台商品透射电子显微镜（TEM），分辨率优于100 Å。之后，美国Arizona 洲立大学物理系的Cowley 教授等定量地解释了相位衬度像，即所谓高分辨像（高分辨TEM 图像见图3），从而建立和完善了高分辨电子显微学的理论和技术。高分辨电子显微术能够使大多数晶体中的原子列成像，目前高分辨电子显微术已经是电镜中普遍使用的方法，其分辨率已经达到了1~2 Å。

图3 高分辨TEM 图像（图片来源：百度网）

除了波长限制了透射电镜的分辨率外，透射电镜的像差，包括色差、球差、像散和畸变，也使得透射电镜的分辨率难以突破1 Å。20 世纪末，球差校正器研制成功，球差校正电子显微镜减小了非局域化效应的影响，进一步提高了透射电镜的分辨率，已经达到了亚埃量级。随着球差校正电子显微镜应用的普及，球差校正电子显微学在逐渐形成和发展。此外，近20 年来，随着电子显微术的不断发展，扫描透射电子显微镜术（STEM，其图像见图4）也成为了广泛应用的表征手段。相比于传统的高分辨相位衬度成像技术，扫描透射电镜具有分辨率高，对化学成分敏感，图像直观容易解释等优点。其中高分辨扫描透射电子显微镜可以直接获得原子分辨率的Z 衬度像，结合X 射线能谱和电子损失谱，还可以获得原子分辨率的元素分布图和单个原子列的能量损失谱，因此可以在一次实验中得到原子分辨率的结构、化学成分和电子结构等信息。

图4 富锂材料表面STEM 图像

透射电子显微镜的应用

透射电镜具有分辨率高、可与其他技术联用的优点，在材料学、物理、化学和生物学等领域有着广泛地应用。

材料的微观结构对材料的力学、光学、电学等物理化学性质起着决定性作用。透射电镜作为材料表征的重要手段，不仅可以用衍射模式来研究晶体的结构，还可以在成像模式下得到实空间的高分辨像，即对材料中的原子进行直接成像，直接观察材料的微观结构。电子显微技术对于新材料的发现也起到了巨大的推动作用，D.Shechtman 借助透射电镜发现了准晶，重新定义了晶体，丰富了材料学、晶体学、凝聚态物理学的内涵，D.Shechtman 也因此获得了2011年诺贝尔化学奖。

在物理学领域中，电子全息术能够同时提供电子波的振幅和相位信息，从而使这种先进的显微分析方法在磁场和电场分布等与相位密切相关的研究上得到广泛应用。目前，电子全息已经应用在测量半导体多层薄膜结构器件的电场分布、磁性材料内部的磁畴分布等方面。中国科学院物理研究所的张喆和朱涛等利用高分辨电子显微术和电子全息方法研究了Co 基磁性隧道结退火热处理前后的微观结构和相应势垒层结构的变化，研究结果表明，退火处理可以明显地改善势垒层和顶电极、底电极之间的界面质量，改进势垒本身的结构。

在化学领域，原位透射电镜因其超高的空间分辨率为原位观察气相、液相化学反应提供了一种重要的方法。利用原位透射电子显微镜进一步理解化学反应的机理和纳米材料的转变过程，以期望从化学反应的本质理解、调控和设计材料的合成。目前，原位电子显微技术已在材料合成、化学催化、能源应用和生命科学领域发挥着重要作用。透射电镜可以在极高的放大倍数下直接观察纳米颗粒的形貌和结构，是纳米材料最常用的表征手段之一。天津大学的杜希文和美国Brookhaven 国家实验室的Houlin L.xin 等用原位透射电镜观察了Co Ni双金属纳米粒子在氧化过程中形貌的变化，充分混合的Co、Ni 合金粒子经过氧化后，Co 和Ni 发生了空间上的部分分离，并在理论上对该现象进行了解释。

在生物学领域，X 射线晶体学技术和核磁共振常被用来研究生物大分子的结构，已经能够将蛋白质的位置精度确定到0.2 nm，但是其各有局限。X 射线晶体学技术基于蛋白质晶体，研究的常常是分子的基态结构，而对解析分子的激发态和过渡态无能为力。生物大分子在体内常常发生相互作用并形成复合物而发挥作用，这些复合物的结晶化非常困难。核磁共振虽然能够获得分子在溶液中的结构并且能够研究分子的动态变化，但主要适合用来研究分子量较小的生物大分子。近年来冷冻电镜技术突破了冷冻成像和图像处理瓶颈，发展成为当今结构生物学广泛应用的新兴技术。它可以以快速、高效、简易、高分辨率解析高度复杂的超大生物分子结构，在很大程度上超越了传统的X 射线晶体学技术。清华大学施一公研究组利用酵母细胞内源性蛋白提取获得了性质良好的样品，利用单颗粒冷冻电子显微镜技术，解析了酵母剪接体近原子水平的高分辨率三维结构，阐述了剪接体对信使RNA前体执行剪接的工作机理。

透射电子显微镜的发展方向

目前，透射电子显微术有几个重要的发展方向。第一，分辨率的提升。分辨率一直是透射电镜发展的目标和方向，发展新一代单色器和球差校正器，进一步提高透射电镜的能量分辨率和空间分辨率，尤其是对低压电镜。第二，发展原位透射电镜技术。原位透射电镜在材料合成、化学催化、生命科学和能源材料领域有着重要应用，可以通过在原子尺度下实时观察和控制气相反应和液相反应的进行，从而研究反应的本质机理等科学问题。第三，更加广泛的应用在生物大分子结构研究中。冷冻电镜在生物大分子结构研究中的广泛应用，将推动冷冻电镜技术的不断发展。冷冻电镜在生物学领域的应用越来越受到重视，成为连接生物大分子和细胞的纽带和桥梁。

从透射电子显微镜的诞生到今天的八十多年来，人们借助透射电镜解决了很多科学难题。透射电镜也在不断发展进步，功能日益全面，性能日益改善，虽然在发展过程中还存在一些问题和挑战，相信在众科研工作者的共同努力下，问题终将解决，透射电镜的各项技术也将进一步发展和突破。（责任编辑王丽娜）

作者简介

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谷林，中国科学院物理研究所，研究员。

注：本文发表在2017年第13期《科技导报》，欢迎关注。

面试必备：一文看懂透射电子显微镜TEM

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, 简称TEM），是一种把经加速和聚集的电子束透射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度等相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像在放大、聚焦后在成像器件（如荧光屏，胶片以及感光耦合组件）上显示出来的显微镜。

1背景知识

在光学显微镜下无法看清小于0.2微米的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超细结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM分辨力可达0.2纳米。

▽ 电子束与样品之间的相互作用图

来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书]

透射的电子束包含有电子强度、相位以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。

2TEM系统组件

TEM系统由以下几部分组成：

l 电子枪： 发射电子。由阴极，栅极和阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成射线束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束加速和加压的作用。l 聚光镜： 将电子束聚集得到平行光源。l 样品杆： 装载需观察的样品。l 物镜： 聚焦成像，一次放大。l 中间镜： 二次放大，并控制成像模式（图像模式或者电子衍射模式）。l 投影镜： 三次放大。l 荧光屏： 将电子信号转化为可见光，供操作者观察。l CCD相机： 电荷耦合元件，将光学影像转化为数字信号。

▽ 透射电镜基本构造示意图

来源：中科院科普文章

3原理

透射电镜和光学显微镜的各透镜及光路图基本一致，都是光源经过聚光镜会聚之后照到样品，光束透过样品后进入物镜，由物镜会聚成像，之后物镜所成的一次放大像在光镜中再由物镜二次放大后进入观察者的眼睛，而在电镜中则是由中间镜和投影镜再进行两次接力放大后最终在荧光屏上形成投影供观察者观察。电镜物镜成像光路图也和光学凸透镜放大光路图一致。

▽ 电镜和光镜光路图及电镜物镜成像原理

来源：中科院科普文章

4样品制备

由于透射电子显微镜收集透射过样品的电子束的信息，因而样品必须要足够薄，使电子束透过。

l 试样分类： 复型样品，超显微颗粒样品，材料薄膜样品等。l 制样设备： 真空镀膜仪，超声清洗仪，切片机，磨片机，电解双喷仪，离子薄化仪，超薄切片机等。

▽ 超细颗粒制备方法示意图

来源：公开资料

▽ 材料薄膜制备过程示意图

来源：公开资料

5图像类别

（1）明暗场衬度图像

明场成像 （Bright field image）:在物镜的背焦面上，让透射束通过物镜光阑而把衍射束挡掉得到图像衬度的方法。暗场成像 （Dark field image）:将入射束方向倾斜2θ角度，使衍射束通过物镜光阑而把透射束挡掉得到图像衬度的方法。

▽ 明暗场光路示意图

▽ 硅内部位错明暗场图

来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书]

（2）高分辨TEM（HRTEM）图像

HRTEM可以获得晶格条纹像（反映晶面间距信息）；结构像及单个原子像（反映晶体结构中原子或原子团配置情况）等分辨率更高的图像信息。但是要求样品厚度小于1纳米。

▽ HRTEM光路示意图

▽ 硅纳米线的HRTEM图像

来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书]

（3）电子衍射图像

l 选区衍射 （Selected area diffraction, SAD）: 微米级微小区域结构特征。l 会聚束衍射 （Convergent beam electron diffraction, CBED）: 纳米级微小区域结构特征。l 微束衍射 （Microbeam electron diffraction, MED）: 纳米级微小区域结构特征。

▽ 电子衍射光路示意图

来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书]

▽ 单晶氧化锌电子衍射图

▽ 无定形氮化硅电子衍射图

▽ 锆镍铜合金电子衍射图

来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书]

6设备厂家

世界上能生产透射电镜的厂家不多，主要是欧美日的大型电子公司，比如德国的蔡司（Zeiss）,美国的FEI公司，日本的日立（Hitachi）等。

7疑难解答

l TEM和SEM的区别：

当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征X射线、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。扫描电镜收集二次电子和背散射电子的信息，透射电镜收集透射电子的信息。

SEM制样对样品的厚度没有特殊要求，可以采用切、磨、抛光或解理等方法特定剖面呈现出来，从而转化为可观察的表面；TEM得到的显微图像的质量强烈依赖于样品的厚度，因此样品观测部位要非常的薄，一般为10到100纳米内，甚至更薄。

l 简要说明多晶（纳米晶体），单晶及非晶衍射花样的特征及形成原理：

单晶花样是一个零层二维倒易截面，其倒易点规则排列，具有明显对称性，且处于二维网格的格点上。

多晶面的衍射花样为各衍射圆锥与垂直入射束方向的荧光屏或者照相底片的相交线，为一系列同心圆环。每一族衍射晶面对应的倒易点分布集合而成一半径为1/d的倒易球面，与Ewald球的相贯线为圆环，因此样品各晶粒{hkl}晶面族晶面的衍射线轨迹形成以入射电子束为轴，2θ为半锥角的衍射圆锥，不同晶面族衍射圆锥2θ不同，但各衍射圆锥共顶、共轴。

非晶的衍射花样为一个圆斑。

l 什么是衍射衬度？它与质厚衬度有什么区别？

晶体试样在进行电镜观察时，由于各处晶体取向不同和（或）晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下表面处有不同的衍射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成的衬度称为衍射衬度。质厚衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，适用于对复型膜试样电子图象做出解释。

8参考书籍

《电子衍射图在晶体学中的应用》郭可信，叶恒强，吴玉琨著；《电子衍射分析方法》黄孝瑛著；《透射电子显微学进展》叶恒强，王元明主编；《高空间分辨分析电子显微学》朱静，叶恒强，王仁卉等编著；《材料评价的分析电子显微方法》（日）进藤大辅，及川哲夫合著，刘安生译。