透射電子顯微鏡(縮寫TEM)，簡稱透射電鏡，是把經(jīng)加速和聚集的電子?xùn)|投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像，影像將在放大、聚焦后在成像器件(如熒光屏、膠片、以及感光耦合組件)上顯示出來。由于電子的德布羅意波長非常短，透射電子顯微鏡的分辨率比光學(xué)顯微鏡高的很多，可以達到0.1~0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬~百萬倍。因此，使用透射電子顯微鏡可以用于觀察樣品的精細結(jié)構(gòu)，甚至可以用于觀察僅僅一列原子的結(jié)構(gòu)，比光學(xué)顯微鏡所能夠觀察到的最小的結(jié)構(gòu)小數(shù)萬倍。

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透射電子顯微鏡

TEM的主要功能

對于材料科學(xué)的研究而言，TEM已經(jīng)成為了一種不可或缺的研究工具，以至于在今天，已經(jīng)很難想象沒有TEM的幫助我們?nèi)绾紊钊腴_展材料科學(xué)的研究工作。

下面我簡單地列舉TEM在材料科學(xué)研究中的6個常見用途:

(a)對樣品進行一般形貌觀察;

(b)利用電子衍射、微區(qū)電子衍射、會聚束電子衍射物等技術(shù)對樣品進行物相分析，從而確定材料的物相、晶系，甚至空間群;

(c)利用高分辨電子顯微術(shù)可以直接"看"到晶體中原子或原子團在特定方向上的結(jié)構(gòu)投影這一特點，確定晶體結(jié)構(gòu)，大于100nm物體用低壓、低分辨電鏡即可觀察。介于100nm-10nm 之間的物體用高壓、低分辨電鏡勉強可見。小于10nm的物體必須選用高壓、高分辨電鏡才能夠進行觀察。

(d)利用衍襯像和高分辨電子顯微像技術(shù)，觀察晶體中存在的結(jié)構(gòu)缺陷，確定缺陷的種類、估算缺陷密度;界面觀察選用低壓、低分辨電鏡。位錯觀察可用高壓、低分辨電鏡，選用高壓、高分辨為佳。層錯觀察選用高壓、高分辨電鏡。典位錯觀察方法是金相腐蝕法，指通過腐蝕使位錯露頭形成“蝕坑”，使其可見，是間接觀察，效果較差。高壓、低分辨透射電鏡可以直接觀察位錯，效果好。高壓、高分辨透射電鏡可以直接觀察位錯，效果更好。

(e)利用TEM所附加的能量色散X射線譜儀或電子能量損失譜儀對樣品的微區(qū)化學(xué)成分進行分析;

（f）利用帶有掃描附件和能量色散X射線譜儀的TEM，或者利用帶有圖像過濾器的TEM，對樣品中的元素分布進行分析，確定樣品中是否有成分偏析。

TEM與SEM的區(qū)別

2.1 核心原理與成像方式

掃描電鏡SEM用聚焦電子束掃描樣品表面，電子與樣品相互作用產(chǎn)生多種信號，通過探測器收集信號并轉(zhuǎn)換為圖像。SEM成像依賴表面信號，可以反映樣品的表面形貌、搭配能譜儀可以反映樣品的成分分布情況等。

透射電鏡TEM用高能電子束穿透超薄樣品，電子與樣品發(fā)生散射，通過電磁透鏡聚焦形成透射電子圖像。成像依賴穿透電子的散射差異，可反映樣品內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)、原子排列、缺陷等。

2.2 分辨率與放大倍數(shù)

SEM的表面分辨率可以達到1-10nm，主要觀察微米至納米級的表面細節(jié)。SEM的放大倍數(shù)通常為10-105倍，覆蓋宏觀到納米的觀察范圍。

TEM的空間分辨率可以達到0.1-0.2nm，能直接觀察原子排列，晶格條紋等亞納米級結(jié)構(gòu)。TEM的放大倍數(shù)通常可達到107倍，可用于原子級別分析。

2.3 樣品要求

SEM檢測對樣品沒有明顯要求，但需要導(dǎo)電（非導(dǎo)電樣品需要噴金/噴碳處理，避免電荷累積）。

TEM檢測的樣品必須滿足薄到電子可以穿透（通常為5-100nm），需要經(jīng)過復(fù)雜制備（如離子減薄、電解雙噴或聚焦離子束切割）。TEM樣品尺寸小，通常裝在在直徑為3mm的銅網(wǎng)上，且需避免污染。

2.4 如何選擇SEM與TEM？

關(guān)注 “表面信息”：選 SEM

需觀察樣品表面形貌（如斷裂紋路、顆粒分布、涂層表面缺陷、生物組織表面結(jié)構(gòu)等）。

需分析表面/微米級區(qū)域的成分分布（結(jié)合 EDS，確定元素分布）

關(guān)注 “內(nèi)部結(jié)構(gòu)/原子級信息”：選 TEM

需觀察樣品內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)（如晶格排列、相分布）、缺陷（位錯、空位）、界面結(jié)構(gòu)（如異質(zhì)結(jié)、層間結(jié)構(gòu)）。

需分析納米級甚至原子級細節(jié)（如納米顆粒的尺寸與結(jié)晶性、單原子分散狀態(tài)）。

TEM制樣難點

3.1 必須足夠薄：普通TEM要求樣品厚度在50-200nm，高分辨TEM（HRTEM）則需在50nm以內(nèi)，否則電子束無法穿透，只能看到模糊的“黑影”。

3.2 必須無損傷：制備過程中不能引入應(yīng)力、污染或結(jié)構(gòu)改變（如金屬樣品氧化、高分子樣品變形），否則觀察到的不是樣品“本貌”；

3.3 必須定位精準(zhǔn)：如需觀察特定區(qū)域（如材料的缺陷、細胞特定的細胞器），需提前標(biāo)記并確保制備后目標(biāo)區(qū)域保留。

TEM在高分子材料表征中的應(yīng)用

4.1 高分子材料改性研究

填充改性:TEM可用于觀察高分子材料中填充物的分布、形態(tài)及與基體的界面結(jié)合情況，為填充改性提供重要信息。

共混改性:通過TEM觀察高分子共混體系的微觀結(jié)構(gòu)，如相分離、相界面、分散程度等，有助于優(yōu)化共混配比和工藝條件。

功能化改性:在功能化高分子材料中，TEM可用于觀察功能基團的引入對材料微觀結(jié)構(gòu)的影響，以及功能化后的性能變化。

4.2 高分子材料應(yīng)用性能評估

力學(xué)性能:TEM可用于觀察高分子材料的微觀缺陷、裂紋擴展等，評估其力學(xué)性能。

熱性能:通過原位加熱TEM技術(shù)，可以觀察高分子材料在高溫下的微觀結(jié)構(gòu)變化，評估其熱穩(wěn)定性。

電性能:對于導(dǎo)電高分子材料，TEM可用于觀察其導(dǎo)電通道的分布和形態(tài)，評估其電性能。