透射電子顯微鏡（TEM）是一種利用電子束穿透超薄樣品以獲取高分辨率圖像的技術，它在材料科學、生物學和物理學等多個學科領域內扮演著至關重要的角色。TEM能夠揭示材料的微觀結構，包括形貌、晶體結構、缺陷、化學成分和電子結構等關鍵信息。

如何形成的

TEM的運作依賴于電子與樣品的相互作用。電子槍產生電子束，這些電子隨后被一系列電磁透鏡聚焦并加速至高能量狀態（通常在80 KeV到300 KeV之間），然后投射到樣品上。透射電子被物鏡和成像透鏡捕獲，最終在熒光屏、感光膠片或CCD相機上形成圖像。由于電子的波長極短，TEM能夠實現納米甚至亞原子級別的分辨率，遠超傳統光學顯微鏡的分辨率限制。

組成部分

電子槍：負責產生電子束，主要類型包括熱發射和場發射電子槍，其中場發射電子槍因其高亮度和優越的聚焦能力而適用于高分辨率成像。

電磁透鏡：用于控制電子束的聚焦和放大，功能類似于傳統光學顯微鏡中的光學透鏡。

樣品臺：允許進行精確的樣品定位和傾斜操作，以研究不同方向上的樣品結構。

探測器：包括熒光屏、感光膠片或數碼探測器（如CCD相機），用于記錄樣品透射后的圖像。

操作模式

TEM的操作模式多樣，以適應不同的分析需求。以確保數據的準確性和可靠性。

1. 明場成像（Bright Field Imaging）：這是TEM中最普遍的成像方式，通過透射電子形成圖像，適用于觀察樣品的整體形貌和晶體缺陷。

2. 暗場成像（Dark Field Imaging）：通過選擇特定散射角度的電子進行成像，以突出樣品中的特定結構。

3. 高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）：通過直接成像電子波的干涉圖樣，實現對晶體結構的原子級分辨率成像。

4. 電子衍射（Electron Diffraction）：分析電子束與晶體相互作用后產生的衍射圖樣，以確定材料的晶體結構。

5. 能量色散X射線光譜（EDS/EDX）：結合TEM使用，通過分析特征X射線的能量來確定樣品中元素的種類和分布。

6. 電子能量損失譜（EELS）：通過測量電子穿過樣品時的能量損失，提供材料的化學成分、價態和電子結構信息。

樣品制備技術

TEM樣品制備是實現有效分析的關鍵步驟，要求樣品必須足夠薄以便電子束能夠穿透。常用的樣品制備方法包括：

機械研磨：將塊狀樣品研磨至適當厚度，再通過離子減薄技術進一步減薄至電子束可穿透的厚度。

聚焦離子束（FIB）：從大塊材料中精確切割出超薄樣品，適用于復雜材料的精確制備。

超薄切片：適用于生物樣品或聚合物等軟材料，通過超薄切片機切割出納米至幾十納米厚的樣品。

優勢與局限性

1.優勢：

提供亞納米或原子級別的分辨率，是材料表征的高精度工具。

功能多樣，能夠結合多種技術進行化學成分和晶體結構分析。

適用于多種材料，包括無機材料、金屬、半導體、有機物和生物樣品。

2.局限性：

樣品制備過程復雜，特別是對于脆性或復雜材料。

操作技術要求高，需要專業知識和經驗。

需要在高真空環境下測試，不適合研究不穩定或揮發性樣品。

透射電子顯微鏡（TEM）作為一種強大的顯微技術，為我們深入理解材料的微觀世界提供了寶貴的視角。盡管存在局限性，但其在材料科學領域的重要作用不容忽視。金鑒實驗室的透射電子顯微鏡（TEM）測試服務，不僅為科研和工業界提供了重要的數據支持，也為材料科學領域的研究者們開辟了新的視野。