透射電子顯微鏡（英語：Transmission electron microscope，縮寫TEM），簡稱透射電鏡，是把經加速和聚集的電子束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，從而產生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射電子顯微鏡的解析度為0.1～0.2nm，放大倍數為幾萬～百萬倍，用於觀察超微結構，即小於0.2微米、光學顯微鏡下無法看清的結構，又稱“亞顯微結構”。
基本介紹
- 中文名：透射電子顯微鏡
- 外文名：Transmission electron microscope
- 縮寫：TEM
- 簡稱：透射電鏡
簡介,發展史,成像原理,組件,套用,特點,
簡介
透射電子顯微鏡(TEM)有兩個主要用途:用於形貌觀察—一電子成像;用於測定結構——電子衍射。電子衍射的幾何學與Ⅹ射線衍射完全一樣。都遵守勞厄方程或布拉格方程所規定的衍射條件和幾何關係。由於加速電壓100kV以上的電子的波長比Ⅹ射線短得多,根據布拉格方程2dsinθ=nλ的電子衍射角2θ也小得多;物質對電子的散射比對X射線散射幾乎強1萬倍,所以電子衍射強度高得多,攝譜時間比Ⅹ射線短得多。
電子衍射的本質是波長短、散射強。電子衍射的許多特徵都與此有關。波長短決定電子衍射的幾何特點,它使單晶的電子衍射譜變得和晶體倒易點陣的一截面完全相似。散射強度決定電子衍射的光學特點,有時衍射束的強度幾乎與透射束的強度相當,因此必須考慮它們之間的互動作用,即多次衍射和動力衍射效應。另外,電子在物質中的穿透深度有限,比較適合用來研究微晶、表面和薄膜的晶體結構。電子衍射的早期套用也就是研究物質的表面結構。
自20世紀50年代以來,電子衍射得到長足的發展和越來越廣泛的套用。顯然,與電子衍射和透射電鏡的密切結合有關,二者各有所長,相互補充,使衍射和成像有機地聯繫在一起。許多合金相只有幾十微米大小,有時甚至小到幾千埃,不能用X射線進行單晶衍射試驗。但卻能用電子顯微鏡在放大幾萬倍的情況下把這些晶體挑選出來,用微區電子衍射(選區電子衍射)研究這些微晶的結構。另一方面,薄膜器件和薄晶透射電子顯微術的發展,顯著地擴大了電子衍射的套用範圍,也促進了動力學衍射的進一步發展。
發展史
TEM是德國科學家Ruskahe和Knoll在前人Garbor和Busch的基礎上於1932年發明的。
成像原理
透射電子顯微鏡的成像原理可分為三種情況：
吸收像：當電子射到質量、密度大的樣品時，主要的成相作用是散射作用。樣品上質量厚度大的地方對電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基於這種原理。
衍射像：電子束被樣品衍射後，樣品不同位置的衍射波振幅分布對應於樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當出現晶體缺陷時，缺陷部分的衍射能力與完整區域不同，從而使衍射波的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。 相位像：當樣品薄至100A以下時，電子可以穿過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自於相位的變化。
TEM透射電鏡
TEM透射電鏡組件
電子槍：發射電子，由陰極、柵極、陽極組成。陰極管發射的電子通過柵極上的小孔形成射線束，經陽極電壓加速後射向聚光鏡，起到對電子束加速、加壓的作用。 聚光鏡：將電子束聚集，可用於控制照明強度和孔徑角。 樣品室：放置待觀察的樣品，並裝有傾轉台，用以改變試樣的角度，還有裝配加熱、冷卻等設備。 物鏡：為放大率很高的短距透鏡，作用是放大電子像。物鏡是決定透射電子顯微鏡分辨能力和成像質量的關鍵。 中間鏡：為可變倍的弱透鏡，作用是對電子像進行二次放大。通過調節中間鏡的電流，可選擇物體的像或電子衍射圖來進行放大。 透射鏡：為高倍的強透鏡，用來放大中間像後在螢光屏上成像。 此外還有二級真空泵來對樣品室抽真空、照相裝置用以記錄影像。
套用
透射電子顯微鏡在材料科學、生物學上套用較多。由於電子易散射或被物體吸收，故穿透力低，樣品的密度、厚度等都會影響到最後的成像質量，必須製備更薄的超薄切片，通常為50～100nm。所以用透射電子顯微鏡觀察時的樣品需要處理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷凍超薄切片法、冷凍蝕刻法、冷凍斷裂法等。對於液體樣品，通常是掛預處理過的銅網上進行觀察。
特點
以電子束作光源，電磁場作透鏡。電子束波長與加速電壓(通常50~120KV)成反比。
分辨力0.2nm，放大倍數可達百萬倍。
TEM分析技術是以波長極短的電子束作照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種高解析度（1nm）、高放大倍數的電子光學分析技術；
用電鏡（包括TEM）進行樣品分析時，通常有兩個目的：一個是獲得高倍放大倍數的電子圖像，另一個是得到電子衍射花樣；
TEM常用於研究納米材料的結晶情況，觀察納米粒子的形貌、分散情況及測量和評估納米粒子的粒徑。是常用的納米複合材料微觀結構的表征技術之一。
