半导体工程师 2024年07月27日 08:51 北京

透射电子显微镜（Transmission electron microscopy，TEM）是一种高分辨率的显微镜技术，用于观察材料的微观结构。TEM通过电子束穿过样品，与样品中的原子相互作用，形成图像，可以分辨非常小的结构细节（高分辨)。不仅能用于研究材料的晶体结构、相变、缺陷等，还可以观察细胞、细胞器和生物大分子的结构，以及了解催化剂的形貌和活性位点。TEM技术在材料科学、生物学、化学等领域有着广泛的应用。

TEM是通过在高真空环境中用电子束照射样品来生成图像，检测透过样品的电子，就可以形成图像。通过TEM成像，在更微观的层面，我们可以看到晶体样品中的原子柱和理解细胞内的分子机制。

由于TEM使用聚焦的高能电子束，因此它能显示光镜无法显示的样品复杂细节。此外，TEM还能提供除最轻元素（H和He）外，样品的结晶相的取向和元素组成信息。

图1 同一试样的TEM显微照片（明场视野），显示了不同的放大倍率如何揭示不同的试样信息。低倍图像显示了颗粒的大小和形状，而高倍图像则显示了颗粒上包裹的涂层。

“Transmission”一词的意思是"穿过"，从本质上讲，TEM创建图像（通常称为明场图像）的方式可以简单的比作皮影戏。想象一下，一束灯光打在幕帘上。光线穿过幕帘的透明部分，但被兽皮或纸板做成的人物剪影挡住。在幕帘的反面上，我们就可以看到皮影戏。

图2 皮影戏人物剪影

TEM使用的光源是高能电子束，而不是照明灯。高能电子束在穿过样品的过程中，材料的某些部分比其他部分更能阻止或偏转电子，没有被阻挡的电子在则在样品下方被收集到磷光屏幕上或相机上。

图3 照明灯成像与TEM电子束成像的简单类比

在电子没有穿过样品的区域，图像是暗的。在电子未散射的区域，图像较亮，在两者之间有一系列的灰色衬度，这取决于电子与样品的相互作用以及被样品散射的方式。

常规TEM放大倍率可达1,000,000倍，分辨率低于0.1纳米，高性能的TEM可以达到约0.05纳米的分辨率。

TEM 的分辨率

点分辨率：表示TEM能分辨的两个相邻点之间的最小距离。

晶格分辨率：用于衡量TEM对晶格结构的分辨能力。

信息分辨率：反映TEM能够提供的关于样品结构和成分的详细信息程度。

我们通常说的分辨率一般指点分辨率，点分辨率是TEM性能的重要指标之一，它决定了 TEM 能够分辨样品中微小细节的能力。

影响TEM分辨率的因素有以下因素：1电子源的亮度和稳定性；电子光学系统：包括透镜的质量和校准；3样品制备：样品的厚度、平整度和导电性；4操作条件，如加速电压、电子束电流等。5.电子枪对中：电子枪与光学系统的对准精度。

此外，在TEM图像上必须有一个标尺刻度条，以便计算图像中结构的实际尺寸。

1 TEM的主要优势

与光学显微镜相比，TEM 有三个关键优势：

1.高分辨率（高的有效放大倍数）。分辨率可以定义为两个紧密相对的点之间的最小距离，在这个距离上，它们可以被识别为两个独立的实体。光学显微镜的最佳分辨率约为200纳米，而常规的TEM分辨率优于0.1纳米。这样就能观察到晶格中的缺陷和位错等特征，以及细胞器和分子机械等亚细胞结构。

图1 增材制造的镍基超级合金中的位错。

图2 叶绿体内的结构。

2.通过衍射获得结构信息。如果被观察的材料具有周期性结构，如晶体结构，那么电子束就能与该结构相互作用，从而产生衍射。形成这种衍射图样的能力是 TEM 所独有的，可提供有关晶体结构、对称性和晶体取向的信息。

图3 在主晶带轴上拍摄的晶体样本衍射图样（左图）。昆士兰大学Roger Wepf 。定量会聚束电子衍射图案（右图）。西澳大利亚大学Andy Johnson 。

3. 显微分析。可以在TEM中分析样品的元素组成。这在扫描电镜（SEM）中也可以实现，但空间分辨率没有TEM高。

图5. BiFeO3和SiTiO3之间界面的EDS谱。

2 TEM的技术限制

TEM的主要优点是能达到很高的放大倍率，可用于详细检查试样的结构、成分和晶体特性。TEM广泛应用于生物和医学科学、材料科学、地质学、环境科学、纳米技术和蛋白质研究等领域，可用于研究亚细胞成分、病毒、金属、陶瓷和矿物的形态、结构和局部化学。也可以通过衍射图样、特征X射线和电子能量损失分析来研究晶体结构、取向以及相、沉淀物和污染物的化学成分。

但有些事情 TEM 无法做到：

ØTEM 不能拍摄彩色图像。有时会在拍摄 TEM 图像后人为的添加颜色。

ØTEM 无法通过厚样品成像：通常样品厚度约为 100-200 纳米。电子无法轻易穿透厚度远大于200 纳米的部分。

Ø常规的TEM无法成像样品的表面特征。

ØTEM无法可靠地成像流动的带电分子。例如，某些物质（如Na+）在电子束下会挥发，因为负电子束会对带电物质产生作用力。

Ø许多样品需要专业的样品制备技术，有些生物样品需要用重元素染色才能显示出感兴趣的特征。没有这些专业的制备技术，TEM观察寸步难行。

总的来说，TEM样品制备要求高，样品需要非常薄，通常在纳米级别，制备过程复杂且容易引入电子束损伤，高能电子束可能会对样品造成损伤，影响观察结果。成像深度有限，只能观察样品的表面或很薄的区域。复杂的操作和维护，需要专业知识和技能进行操作和维护。成本较高，设备昂贵，维护成本也较高。对样品的要求高，某些样品可能不适合TEM观察。信号解释难度高，获得的图像和数据需要专业知识进行解释。

3 TEM的成像与衬度

TEM的各个组件呈长镜筒排列，电子枪位于顶端。电子枪产生的电子束通过一系列电磁透镜沿镜筒向下穿过样品，到达底部的电子探测器（输出图像）。

电子束在穿过样品的过程中，材料的某些部分比其他部分更容易阻挡或偏转电子。电子从样品下方被收集到磷光屏幕上或相机上。在电子没有穿过样品的区域，图像是暗的。在电子未散射的区域，图像较亮，在这两者之间有一系列的灰色，这取决于电子与样品的相互作用和被样品散射的方式。

电子束和样品之间有许多相互作用，下图显示了其中一些，这些相互作用同样也适用于扫描电镜。

图7 电子束与样品的相互作用

透射电镜图像的衬度主要包括以下几种：

质量厚度衬度：由于样品不同区域的质量厚度差异导致的衬度。质量厚度较大的区域显得较暗，而质量厚度较小的区域显得较亮。

衍射衬度：当电子束通过晶体样品时，由于晶体的衍射作用，不同晶面的衍射强度不同，从而产生的衬度。

相位衬度：基于电子波的相位变化产生的衬度，主要用来高分辨成像。当电子波通过样品时，由于样品的厚度、密度、原子序数等因素的不同，电子波会发生相位延迟或超前。这种相位变化会导致电子波在样品出射面处形成干涉条纹，从而产生相位衬度。

原子序数衬度：与样品中原子序数的差异相关的衬度。原子序数较高的区域显得较暗，而原子序数较低的区域显得较亮。

TEM 的原子序数衬度可以在 STEM 模式下实现，但也可以在其他模式下观察到。在 STEM 模式下，由于不同原子序数的元素对电子的散射能力不同，这会导致图像中不同区域的亮度差异，从而产生原子序数衬度。

然而，原子序数衬度并不局限于 STEM 模式。在传统的TEM成像模式中，如明场成像或暗场成像，也可以观察到原子序数衬度。这是因为原子序数的差异会影响电子的散射和吸收，从而影响图像的对比度。

此外，还有一些其他技术和方法可以增强或突出原子序数衬度，例如使用能量过滤TEM（EFTEM）或Z 衬度成像等。

电衬度：由于样品的电学性质差异导致的衬度，例如导电性不同的区域。

在透射电镜（TEM）中，电衬度可以通过电子能量损失谱（EELS）检测，EELS 可以测量电子在穿过样品时的能量损失。不同的电学性质会导致不同的能量损失，从而产生电衬度。通过分析EELS 谱，可以获得有关样品电学性质的信息。

磁性衬度：对于磁性材料，由于磁畴的存在和磁化方向的不同而产生的衬度。

磁衬度可以通过洛伦兹显微镜检测，它利用电子束在磁场中的偏转来产生磁衬度图像。当电子束穿过磁性材料时，由于磁性材料的磁化方向不同，电子束的偏转程度也会不同。这种偏转差异会导致电子束在图像平面上的聚焦位置发生变化，从而产生磁衬度。

通过测量电子束的偏转程度，可以获得关于磁性材料的磁化方向、磁畴结构等信息。洛伦兹显微镜可以提供高分辨率的磁衬度图像，对于研究磁性材料的微观结构和磁性行为非常有用。

在使用洛伦兹显微镜进行测量时，需要注意以下几点：样品制备：磁性材料的表面质量和厚度对测量结果有影响，需要进行适当的样品制备。

磁场校准：磁场的强度和均匀性需要进行校准，以确保测量的准确性。

这些衬度机制相互作用，共同决定了透射电镜图像的细节和特征。通过对衬度的分析，可以获取有关样品的微观结构、化学成分、晶体取向等信息。不同的实验条件和样品特性可能会对衬度产生影响，因此在解释透射电镜图像时，需要综合考虑多种因素。

4 TEM的分辨率

分辨率和放大率的概念经常被混淆。分辨率是分辨物质结构相邻特征细节间距的参数。TEM的分辨率是在电镜图像上能分辨的最小结构细节间距。

一般来说，分辨率越高，放大倍数就可以越大，而图像仍然保持清晰。但是，放大倍数也受到其他因素的影响，例如显示设备的物理尺寸、像素密度、显示技术等。因此，分辨率和放大倍数之间存在一定的关系，但具体的关系取决于具体的情况。

使用波长较小的电子束进行照明可获得更高的分辨率，这就是电子显微镜比光镜能产生更高分辨率图像的原因；因为电子的波长比可见光的波长小。根据阿贝方程，显微镜的分辨率主要由电子束（电子束）的波性质决定：

电子的波长取决于加速电压，其公式为

根据上述公式，加速电压越高，电子的波长就越小，可能达到的分辨率就越高。

需要注意的是，以上阿贝公式考虑的分辨率是理论分辨率，对于常规TEM来说，是只考虑电子束衍射和物镜尺寸限制的分辨率（假设只有理想物点和物镜），其简化后的电子光路系统如图8所示。

图8 常规TEM的（a）阿贝成像原理及（b）理论分辨极限示意

尹美杰,健男,张熙,等.透射电子显微镜空间分辨率综述[J].深圳大学学报:理工版, 2023, 40(1):13.

根据瑞利判据，当一个像的艾里斑边缘正好经过另一个斑的中心时或艾里斑的衍射强度峰值刚好被分开时，对应的A和B物点刚好能被分辨．二者的距离r在图像上表现为：

R = r × M = 0. 61λ/β

其中，R 为光路系统的理论分辨极限（或瑞利分辨极限）；M为物镜的放大倍数；λ为电子枪发出的电子束波长，其值取决于电镜的加速电压；β为物镜的收集角，其值取决于物镜尺寸、像差和物镜光阑。

在电子显微学发展过程中存在过多个分辨率概念，不仅有理论分辨极限、还有CTEM模式下的点分辨率、Scherzer分辨率、信息分辨率、以及STEM模式下的分辨率。

当低阶物镜球差被完全校正后，点分辨率与信息分辨率非常接近，信息分辨率可被看作仪器分辨能力的指标。

而Scherzer分辨率指当欠焦量 C1 为-1. 2 (C3λ)1/ 2（Scherzer欠焦）时的点分辨率，计算公式为

rSch = 0. 66C31/4

Scherzer分辨率具有重要的实际应用价值．首先，实验上可利用欠焦补偿球差导致的分辨率的降低．其次，Scherzer欠焦条件下得到的高分辨像是原子像，可解释原子结构（在高分辨成像中，可能存在衬度反转的情况）。

另外，STEM模式下的图像分辨率目前仍无公认的标准定义，一般认为STEM图像上相邻两点正好可以分开时两点间的距离为分辨率。STEM的分辨率理论上取决于入射电子束尺寸和不同散射角决定的成像衬度机理．一般来说，会聚角越大，电子源相干性越好，聚光镜像差越小（与物镜像差相同），入射束直径越小，得到的STEM 图像分辨率越高。
尹美杰,健男,张熙,等.透射电子显微镜空间分辨率综述[J].深圳大学学报:理工版, 2023, 40(1):13.

图7 . 镀在 ITO上的无定形铂的高分辨率TEM图。

4.1 影响TEM分辨率的主要因素

在过去的 300年中，玻璃镜片已经发展得近乎完美，而电磁透镜却相当不完美。电磁透镜至少有10种缺陷，但对TEM性能有重大限制的缺陷主要是：球面像差（也称球差），色差，像散。

球差和色差限制了传统TEM的分辨率。在使用静态旋转对称电磁场时，这两种缺陷都不可避免。

球差是决定物镜性能的最重要因素。对于较厚的样品，色差会更严重。为减少这一问题，最好制作更薄样品。像散会影响图像的聚焦能力，但完全可以矫正。

球差是由于透镜场对离轴光线的作用不均匀造成的。换句话说，与光轴"平行"但距离光轴不同的光线无法汇聚到同一点。电子越偏离轴线，就越强烈地向轴线弯曲。因此，点状物体被成像为一个大小有限的圆盘，这限制了放大细节的能力。

下图显示了球差的影响。点P在"least confusion"平面内成像为半径最小的圆盘，在成像平面内成像为PI，中心明亮区域强烈，周围有光晕。

图8 球差对分辨率的影响

计算像面上球差圆盘半径（rsph）的表达式如下：

其中 Cs 是特定透镜的常数，称为球差系数，β是物镜光阑的最大会聚半角。根据这一推导，Cs 具有长度维度，通常近似等于焦距。在TEM中焦距通常约为3 毫米，但在HRTEM 中则远小于1毫米。

像差最小化的方法之一是使用短焦距透镜（即球差系数小的透镜）。

下图是由一个具有负球差（顶部）、零球差（中心）和正球差（底部）的系统成像的点光源示例。只有中心点是一个点，其上下的图像显示为一个圆盘。

图9 球差对点光源的影响。中心左侧的图像向内侧散焦；中心右侧的图像向外侧散焦。

色差：色差一词与电子的能量有关，电子不是单色的（从光学引入的概念，电子可以理解为没有能量波动）。电子以各种能量从电子枪中射出，物镜会对其产生不同程度的弯曲；能量低（损失较多）的电子弯曲得更厉害。因此，来自试样上某一点的电子再次形成圆盘图像，就像球差一样。圆盘的半径 (rchr) 由以下公式得出：

其中，Cc 是透镜的色差系数（长度），ΔE 是电子的能量损失，Eo 是初始电子束能量，β 是透镜的收集半角。

入射电子束中的ΔE < 1 eV。对于大部分穿过 50-100 nm厚样品的电子来说，ΔE 通常为15-25eV。样品越厚，色差越大，因为非弹性散射电子的比例越高，可能会受到色差的影响。

图11 色差对分辨率的影响示意图

像散：当电子束横截面不是完全圆形时，就会产生像散。

5 TEM的结构

TEM包含以下组件：电子枪、镜筒、电磁透镜系统、探测器、样品杆/样品室、主控制面板和操作控制，相机。

图6 TEM的结构设计示意图

真空系统：真空非常重要，因为空气中的微粒会使电子束中的电子轨迹发生偏转。这反过来又会影响最终图像的质量，降低分辨率和信噪比。

电子枪：电子枪产生电子束。它通常位于镜筒的顶部。电子枪有几种不同的类型，六硼化镧，肖特基热场和冷场电子枪，电子枪的种类将决定仪器的最终分辨率。

镜筒：由顶部的电子枪组件、装有一组电磁透镜的镜筒、窗口和气闸以及一组可在电子束路径中移动的光阑组成。镜筒内处于真空状态。用户可以轻松地将光阑从电子束路径上移开。这对于成像过程中物镜和选定区域衍射的操作非常重要。

光阑位于光阑带内，光阑带通常由钼条组成，内含一系列不同大小的孔，可对电子束进行不同程度的精确调制。

与样品端口相邻的是一个 "冷阱cold trap"，它由一个液氮罐组成，罐内装有一个导电金属，与顶部的一根杆相连。"冷阱"可以吸附离开样品的物质，这些物质会污染样品室或影响机器的真空状态。

图8 冷阱cold trap的位置

电磁透镜:电磁透镜可对电子束进行塑形。由于电子束带负电，因此电磁力可用作透镜。线圈环绕电子束，并产生一个场，对电子产生偏转力。每个透镜都由一个铜线线圈构成，电流通过线圈。中心有一个孔，电子束从孔中穿过。磁透镜允许用户改变电子束的放大倍率和焦距。

电磁透镜是一个圆柱形对称的软铁芯（极靴），上面钻有一个孔（光阑）以及环绕每个极靴的铜线线圈。当电流通过线圈时，就会在孔中产生磁场。磁透镜中的磁场强度可以控制光线路径，使偏离轴线的光线重新聚焦。

线圈的电阻会产生大量的热，意味着透镜必须冷却，因此水冷系统是 TEM 透镜的重要组成部分。

样品杆/样品室：样品通过一个凸缘或一个环来装入样品杆的孔中，凸缘或环用螺钉固定在孔中，使其稳固就位。一定要固定好栅网，以免其从试样架上掉落。

图9 TEM样品杆示意图

将样品杆插入镜筒后，会抽上真空，这可能需要几分钟。为了保持清洁，在机器外时要将样品杆放在一个套筒中。

捕捉图像：图像投射到观察室的屏幕上，双筒望远镜可用于聚焦图像。双筒望远镜配有一个微型屏幕。观察室内的主屏幕仅用于电子束对准和测量试样。要采集永久图像，可将照相机插入电子束路径中，这样就能以数字形式收集图像。对于位于观察屏下方的相机和探测器，可以将整个荧光屏从电子束路径中倾斜出来。

曝光时间（电子束射向探测器的时间长短）可根据电子束参数进行调整，以控制所需图像的质量。

图10 捕捉图像的不同的模式：荧光屏或照相机

探测器：TEM上可使用多种探测器。多年前，图像记录在胶片上，但现在使用安装在观察屏上方或下方的电子探测器（照相机），以数字方式记录图像。衍射信号探测器通常安装在观察屏上方，而高分辨率成像探测器通常使用安装在观察屏下方。

几乎所有的TEM都有扫描模式（STEM），STEM探测器安装在观察屏的正上方。先进的能量损失谱探测器（EELS）安装在观察屏下方，这属于专用设备。此外，还可以使用EDS检测元素，其工作方式与SEM中的技术非常相似，EDS 探测器位于试样上方。

图11 EDS探测器/STEM探测器/EELS探测器的安装位置

6 TEM图像形成机理

TEM中的图像形成非常复杂，主要分为两个阶段。A阶段是入射电子束被试样散射。散射的辐射信号通过物镜，物镜聚焦后形成主像。B阶段使用在A阶段获得的原像，并使用附加透镜放大该图像，形成高度放大的最终图像。

图12 TEM图像的形成过程

在形成主像的过程中，物镜会在其后焦平面产生衍射图样。后焦平面的位置与物镜光阑的位置相同，人们通常使用光阑的边缘来聚焦衍射图样。

这里总结了TEM成像系统中的平面概念：物平面是样品所在的平面，包含物点，它始终位于透镜上方。我们看到的图像在像平面形成，它包含像点，始终位于透镜下方。透镜的焦平面是平行光线聚焦的地方。

图13 物平面、像平面、焦平面示意图

6.1 明场像

TEM最常见的图像类型是明场像。样品的某些区域散射或吸收电子，因此看起来较暗，其他区域则发射电子，看起来更亮。简单来说，明视场图像显示的是试样的影子。在明视野图像中，物镜光阑用来选择未散射的电子束。这样，散射电子就被排除在图像之外。物镜光阑增强了图像的衬度。

图14 左图是二氧化硅多层涂层的明场TEM图像。右图显示原生动物的纤毛。

6.2 暗场像

暗场像是利用主光阑从样品下方收集的图像中排除主电子束（未散射）而产生的。图像仅由散射电子产生。没有发生散射的区域，如主电子束直接穿过样品的区域，显示为黑色（如样品周围区域）。这种成像在研究晶体缺陷和特定晶相成像时非常有用。其他形式的暗场成像将在后续的"先进TEM技术"专题进行讨论。

图15 铝合金暗场像示例。左上角显示的是明场像，右上角显示的是暗场模式下的同一区域，突出显示了沉淀物的一种变体。左下方的图像显示暗场像用于突出显示颗粒周围的局部应变场。右下图为同一区域的衍射图样。图片由莫纳什电子显微镜中心 Matthew Weyland 提供。

6.3 衍射花样

衍射花样是由于电子束穿过晶体试样时发生弹性干涉（衍射）而产生的。只要记住电子束具有类似波的特性，就能很容易地理解这一点。衍射光斑的原理与 XRD的原理相同。TEM形成这些衍射图样的能力是此类仪器所独有的，但需要对仪器内电子束的路径有深入的了解，同时还需要对晶体学有很深的理解。因此，衍射相关的内容也将在后续的"先进TEM技术"专题进行讨论。

图16 镁合金中准晶体的选区衍射图样。

7 TEM仪器校准

成像前，首先要校准仪器，使电子束从镜筒中心穿过。与SEM一样，电子束也需要进行像散校正，并正确设置焦点。下面将解释TEM的基本校准内容。

7.1 聚光镜中心

首先要考虑的是光阑。TEM 镜筒中有许多可移动（可调节）的光阑。聚光透镜光阑位于聚光透镜装置的下方，可用于减小电子束的束斑尺寸并减少像差。聚光透镜光阑必须沿镜筒居中，如下图所示。

图17 聚光镜光阑要居中

接下来要进行的校准是确保通过聚光镜孔的电子束是圆形的，而不是椭圆形的。如果电子束截面不是圆形，则出现像散。当主电子束中的电子围绕光轴旋转时，会受到不均匀磁场的影响，从而产生像散。

像散有多种原因。造成像散的原因是，构成电磁透镜的软铁极片无法制造成完美的圆柱对称。软铁还可能存在微观结构上的不均匀性，从而导致磁场强度的局部变化。

如果透镜的光阑没有精确地围绕轴线居中，可能会干扰磁场。此外，如果光阑不干净，污染会导致电荷积累，并以意想不到的方式使电子束偏转。

像散的形成有多种因素。消像散器是一种小的八极体，它能引入一个补偿场来平衡造成像散的不均匀性。像散在照明系统（聚光镜）和成像系统（物镜）中都存在。

图18 消像散器的位置及结构示意图

7.2 优中心（ eucentric）位置

优中心位置是物镜的水平中心，样品必须调到这个位置。为此，整个样品架都要升高或降低。

TEM 的设置方式是将放大倍率、相机长度和正确对焦设置在此参考位置。当样品高度（Z 轴方向）设置在优中心位置时，样品可绕其轴线倾斜，而不会在投影屏幕上移动。

可以通过将物镜电流调整到特定电压（如 80kV、100kV 或 200kV）的已知设置来设置优中心高度，然后升高或降低Z高度，直到图像对焦。摇摆器'wobbler'"按钮可用作聚焦辅助工具，将振动的分割图像合并为一个静态图像。

图19 正确的优中心位置示意图

以下正确和不正确的试样位置示意图。请注意，试样位置不同，图像的焦点也不同。

图20 样品需要放在正确的优中心位置

7.3 聚焦

要拍摄好图片，正确聚焦非常重要。当电子束交叉点略高于样品或略低于样品时，电子束就不在焦点上。菲涅尔条纹（Fresnel fringe）这一假象的出现可作为帮助图像聚焦。下图显示了菲涅尔条纹在实际聚焦中的情况，内侧的条纹表示图像聚焦不足，而较粗的外侧条纹则表示图像聚焦过度。

图21 正确聚焦与过度聚焦示意图

聚焦不足和聚焦过度对图像质量的影响。聚焦不足时，颗粒周围有亮环和聚焦过度时，颗粒周围的暗环。

图22 聚焦不足和聚焦过度的判断经验

7.4 物镜光阑与校准

使用物镜光阑的主要原因是为了增加试样的衬度。左边的图像是在没有插入物镜光阑的情况下拍摄的，右图插入了物镜光阑。请注意右图的衬度有所提高。有多种物镜光阑大小可供选择：光阑越小，衬度越大，图像越暗（因为图像中排除的电子越多）。

物镜光阑也必须沿轴线居中，并进行像散校正，以确保电子束呈圆形。

图23 物镜光阑大小对图像衬度的影响。最小光阑衬度更高。

一旦仪器与所选的光阑对准，就要进行最后的聚焦和物镜像散校正。进行最后调整的方法主要有两种，一种是使用TEM上的双筒望远镜观察屏幕，另一种是使用TEM 成像软件包中的快速傅立叶变换 (FFT) 应用程序。下图是使用 FFT 软件版本的一系列示例。左侧面板显示的是无定形碳的信号，图像处于对焦状态；其他两个面板显示的是同一样品的图像，但未对焦。

图24 无定形碳的傅立叶变换图像。左图显示无像散，中图显示x方向像散，右图显示x和y像散。

8 理解TEM的参数设置

根据不同的样品,设置 TEM 参数需要考虑以下几个方面：

1 样品性质：了解样品的组成、结构和预期的图像特征。

2 分辨率要求：确定所需的分辨率水平。

3 样品厚度：较厚的样品可能需要更高的电压。

4 对比度要求：调整参数以获得适当的对比度。

5 电子束电流：根据成像要求设置合适的电流。

6 曝光时间：优化曝光时间以避免过度曝光或欠曝光。

7 图像模式：选择适合样品的成像模式，如明场、暗场或衍射模式。

8 其他参数：如聚焦、像散校正等，根据需要进行调整。

下面列出了针对不同样品类型的仪器参数设置。

电压增加：增加亮度，分辨率提高，可以使用更厚的切片，衬度降低

较小的聚光镜光阑:提高分辨率，减少电子束对样品的损伤，减小亮度

较小的物镜光阑：衬度增加，减小亮度

束斑尺寸较小：减小亮度，减少电子束对样品的损伤，提高样品稳定性（减少样品漂移）

假设你要观察一种金属合金样品，根据合金的性质和厚度，选择适当的电压。对于较厚的金属合金，可以用200 keV的电压。较高的电流可以增加图像亮度，但也可能导致样品过热和损伤。开始时，可以选择一个适中的电流值，然后根据图像效果进行微调。例如，你可以设置电子束电流为 100 μA。

根据样品的稳定性和所需的图像细节，选择适当的曝光时间。较短的曝光时间可以减少样品的损伤，但可能导致图像噪点增加。较长的曝光时间可以获得更清晰的图像，但可能会导致样品过度曝光。可以进行试验曝光，然后根据结果调整曝光时间。例如，可以先尝试曝光1秒，然后根据图像质量进行调整。

根据你的实验目的选择合适的图像模式。常见的图像模式包括明场、暗场和衍射模式。明场图像可以显示样品的形貌和结构特征，暗场图像可以突出样品中的特定结构或缺陷，衍射模式可以用于分析晶体结构。

对于生物类样品，使用100keV的电压。设置电子束电流为15μA。采用薄切片技术。选择明场成像模式。控制曝光时间在较短范围内。

来源于老千和他的朋友们，作者孙千

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透射电镜（TEM）技术解读