导言

透射电子显微镜（TEM）是一种强大的分析工具，它能够对材料进行原子级的表征。TEM 的工作原理是将一束高速电子束穿透待检测的样品，然后根据电子束与样品之间的相互作用来形成图像。本文将深入探讨 TEM 成像原理的各个方面，为读者提供对这一先进技术的全面理解。

透射电子束

TEM 使用一束高能电子，通常在 80 至 300 千电子伏特 (keV) 的范围内。电子束通过电子枪产生，电子枪是一个真空管，其中阴极发射电子，然后由阳极加速。产生的电子束聚焦成一条细窄的光束，直径通常在纳米至微米范围内。

样品的制备

为了进行 TEM 分析，样品必须非常薄且均匀，通常厚度在 50 至 100 纳米之间。这是因为电子束穿透样品的能力随着厚度的增加而降低。样品制备过程因材料类型而异，但通常涉及机械切片、化学蚀刻或离子束减薄等步骤。

电子束与样品之间的相互作用

当电子束穿透样品时，它会发生以下几种类型的相互作用：

弹性散射：电子与原子核发生弹性碰撞，改变电子的方向，但能量保持不变。这称为瑞利散射。

非弹性散射：电子与原子中的内层电子发生非弹性碰撞，失去能量并被散射。这称为康普顿散射。

吸收：电子被样品中的原子完全吸收，被转化为热能。

图像的形成

TEM 根据电子束与样品之间的相互作用来形成图像。根据相互作用的类型，电子被收集或散射，从而形成不同的对比度。

明场（BF）成像：未散射的电子（瑞利散射）被透镜收集并聚焦在成像平面上。较厚的区域阻挡更多的电子，产生较暗的对比度。

暗场（DF）成像：弹性散射的电子被收集，产生亮场的图像。较厚的区域散射更多的电子，产生较亮的对比度。

高角环形暗场（HAADF）成像：非弹性散射的电子被收集，产生与原子序数呈比例的对比度。较重的元素散射更多的电子，产生更亮的对比度。

图像的解释

TEM 图像可以提供有关样品结构、成分和缺陷的重要信息。对图像的解释可能具有挑战性，因为它涉及对电子束与样品之间的复杂相互作用的理解。图像对比度、衍射环模式和化学分析等技术可以用来辅助图像的解释。

应用

TEM 在材料科学、纳米技术和生物学等广泛领域具有广泛的应用。它被用于表征材料的微观结构、确定晶体缺陷、分析元素成分以及研究生物分子。TEM 的高分辨率使其成为了解材料在原子水平上行为的宝贵工具。

TEM 是一种功能强大的成像技术，它能够实现原子级的材料表征。通过了解透射电子束、样品制备和电子束与样品之间的相互作用，我们可以深入了解 TEM 成像原理。这有助于我们解释图像并从中提取有关样品结构、成分和缺陷的重要信息。TEM 在材料科学、纳米技术和生物学中具有广泛的应用，为这些领域的深入研究提供了至关重要的见解。