透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope, 簡稱TEM），是一種把經(jīng)加速和聚集的電子束透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、厚度等相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像，影像在放大、聚焦后在成像器件（如熒光屏，膠片以及感光耦合組件）上顯示出來的顯微鏡。 

在光學(xué)顯微鏡下無法看清小于0.2微米的細(xì)微結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)稱為亞顯微結(jié)構(gòu)或超細(xì)結(jié)構(gòu)。要想看清這些結(jié)構(gòu)，就必須選擇波長更短的光源，以提高顯微鏡的分辨率。1932年Ruska發(fā)明了以電子束為光源的透射電子顯微鏡，電子束的波長比可見光和紫外光短得多，并且電子束的波長與發(fā)射電子束的電壓平方根成反比，也就是說電壓越高波長越短。目前TEM分辨力可達(dá)0.2納米。

▽ 電子束與樣品之間的相互作用圖

來源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[書]

透射的電子束包含有電子強(qiáng)度、相位以及周期性的信息，這些信息將被用于成像。

TEM系統(tǒng)由以下幾部分組成：

l 電子槍：發(fā)射電子。由陰極，柵極和陽極組成。陰極管發(fā)射的電子通過柵極上的小孔形成射線束，經(jīng)陽極電壓加速后射向聚光鏡，起到對(duì)電子束加速和加壓的作用。

l 聚光鏡：將電子束聚集得到平行光源。

l 樣品桿：裝載需觀察的樣品。

l 物鏡：聚焦成像，一次放大。

l 中間鏡：二次放大，并控制成像模式（圖像模式或者電子衍射模式）。

l 投影鏡：三次放大。

l 熒光屏：將電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為可見光，供操作者觀察。

l CCD相機(jī)：電荷耦合元件，將光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

▽ 透射電鏡基本構(gòu)造示意圖

來源：中科院科普文章

透射電鏡和光學(xué)顯微鏡的各透鏡及光路圖基本一致，都是光源經(jīng)過聚光鏡會(huì)聚之后照到樣品，光束透過樣品后進(jìn)入物鏡，由物鏡會(huì)聚成像，之后物鏡所成的一次放大像在光鏡中再由物鏡二次放大后進(jìn)入觀察者的眼睛，而在電鏡中則是由中間鏡和投影鏡再進(jìn)行兩次接力放大后最終在熒光屏上形成投影供觀察者觀察。電鏡物鏡成像光路圖也和光學(xué)凸透鏡放大光路圖一致。

▽ 電鏡和光鏡光路圖及電鏡物鏡成像原理

由于透射電子顯微鏡收集透射過樣品的電子束的信息，因而樣品必須要足夠薄，使電子束透過。

l 試樣分類：復(fù)型樣品，超顯微顆粒樣品，材料薄膜樣品等。

l 制樣設(shè)備：真空鍍膜儀，超聲清洗儀，切片機(jī)，磨片機(jī)，電解雙噴儀，離子薄化儀，超薄切片機(jī)等。

▽ 超細(xì)顆粒制備方法示意圖

來源：公開資料

▽ 材料薄膜制備過程示意圖

（1）明暗場襯度圖像

明場成像（Bright field image）:在物鏡的背焦面上，讓透射束通過物鏡光闌而把衍射束擋掉得到圖像襯度的方法。

暗場成像（Dark field image）:將入射束方向傾斜2θ角度，使衍射束通過物鏡光闌而把透射束擋掉得到圖像襯度的方法。

▽ 明暗場光路示意圖

▽ 硅內(nèi)部位錯(cuò)明暗場圖

（2）高分辨TEM（HRTEM）圖像

HRTEM可以獲得晶格條紋像（反映晶面間距信息）；結(jié)構(gòu)像及單個(gè)原子像（反映晶體結(jié)構(gòu)中原子或原子團(tuán)配置情況）等分辨率更高的圖像信息。但是要求樣品厚度小于1納米。

▽ HRTEM光路示意圖   

▽ 硅納米線的HRTEM圖像

（3）電子衍射圖像

l 選區(qū)衍射（Selected area diffraction, SAD）: 微米級(jí)微小區(qū)域結(jié)構(gòu)特征。

l 會(huì)聚束衍射（Convergent beam electron diffraction, CBED）: 納米級(jí)微小區(qū)域結(jié)構(gòu)特征。

l 微束衍射（Microbeam electron diffraction, MED）: 納米級(jí)微小區(qū)域結(jié)構(gòu)特征。

▽ 電子衍射光路示意圖

▽ 單晶氧化鋅電子衍射圖

▽ 無定形氮化硅電子衍射圖

▽ 鋯鎳銅合金電子衍射圖