透射电子显微镜

透射电子显微镜

透射电子显微镜，简称透射电镜，英文名为Transmission Electron Microscope，缩写为TEM，是一种利用高速运动的电子束作为光源，穿透固体样品，再经过电磁透镜成像的显微镜。

透射电镜由电子光学系统、观察记录系统、真空和冷却系统以及电源系统等组成。电子光学系统又可分为照明系统和成像系统两部分，它们和观察记录系统一起置于抽真空的镜筒之中。样品台在照明系统和成像系统之间（图5-3）。

图5-3 透射电子显微镜结构示意图

图5-3 透射电子显微镜结构示意图

（据日本JEOL株式会社）

透射电镜的成像原理与光学显微镜类似，其图像是成像平面上由透射电子密度的差异所形成的明暗不一的衬度像。这种密度差异可通过荧光屏或照相底片的转换进行观察。按其衬度来源的不同，透射电镜图像可分为质厚衬度像、衍射衬度像、相位衬度像和Z衬度像四种。限于篇幅本小节简要介绍常用的质厚衬度像和衍射衬度像。

质厚衬度像的衬度是由样品的质量和厚度的差异所引起的。它适合于对炭黑等非晶质样品进行观察。衍射衬度像，简称衍衬像。它的衬度是由样品各部位满足布拉格（bragg）衍射条件的程度不同所引起的，它所反映的是样品各部位对入射电子衍射强度的差异。衍衬像可分为明场像和暗场像。明场像（Bright-Field Image，缩写为BFI）采用透射束成像，所形成的是亮背景上的暗像（图5-4）。暗场像（Dark-Field Image，缩写为DFI）只选用某一衍射束成像，所形成的是暗背景上的亮像。由于衍射衬度与衍射条件密切相关，对晶体内衍射面网取向的变化十分敏感，因而是研究晶体缺陷的有力手段。

长期以来，透射电镜的图像都是通过观察室的荧光屏进行观察，用照相底片进行记录的。近年来可在照相底片位置配备CCD相机使图像数字化，便于用计算机储存。

图5-4 泰州陨石中橄榄石位错的明场像

图5-4 泰州陨石中橄榄石位错的明场像

（张富生提供）

透射电镜最突出的优点是图像分辨率和有效放大倍数高，其点分辨率（图像中可分辨的两点之间最短的距离）约为0.17～0.20nm，晶格分辨率（晶格条纹像中条纹间最短的距离）为0.1～0.14nm。经球差校正的透射电镜，分辨率达0.08nm，能放大100万倍，几乎能分辨晶体中所有原子的排列。

透射电镜另一个特点是，在成像系统中插入一选区光阑就能够获得电子衍射花样，在观察图像的同时在原地进行结构分析（请参阅本章第四节）。电子衍射与X射线衍射的原理基本相同，所获得的衍射花样也很相似。

透射电镜对样品的基本要求是：①为了使电子束穿透样品，其厚度应在100nm以下；②在制样过程中，样品的超微结构必须得到完好的保存，应严格防止样品结构和性质发生改变以及样品遭受污染等；③样品应牢固地置于直径为3mm的专用铜网上，以便能经受电子束的轰击，并防止在装卸过程中的机械振动而损坏；④样品必须导电。对于非导电样品，应在其上喷一层很薄的碳膜。对于地质样品，通常是先磨制成薄片，并在偏光显微镜下进行观察，选择需要深入研究的部位，切割取下，黏结在铜网上，再置于离子减薄仪中进行减薄，直至局部穿孔，其边缘部位即可在透射电镜下观察。

配备了X射线能谱仪的透射电镜，在观察图像的同时还可在原地进行微区的元素成分分析。