透射电镜的技术进展

透射电子显微镜原理及其技术进展摘要：透射电子显微镜是一种新型高性能的大型检测仪器，是现代物理以及先进技术社会的产物，随着科技的发展，TEM的技术会更加先进，使用范围也更加广泛。本文在着重论述透射电子显微镜基本原理和结构以及应用的基础上，介绍透射电子显微镜的最新科学成果及其在未来的发展趋势，随着各种科学技术被应用于透射电子显微镜的制作工艺中，导致TEM的性能不断完善发展以及TEM与计算机技术的密切结合与应用。透射电子显微镜在各个领域中的应用。即透射电子显微镜在地质领域，材料科学及提高钢性能方面的应用，透射电子显微镜及相关技术在多相催化研究中的应用,并通过对其归类分析进一步说明了透射电子显微镜的应用。

关键词：TEM的基本原理;TEM 的新技术进展;TEM的用途

1 引言

透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope, TEM)是一种现代综合性大型分析仪器，在现代科学技术的研究开发工作中被广泛地使用。透射电镜工作原理是以电子束透过样品经过聚焦与放大后所产生的物像，投射到荧光屏上或照相底片上进行观察。由于显微镜的分辨率取决于所用光的波长，人们从本世纪初开始就尝试用波长更短的电磁波取代可见光来放大成像，以制造分辨本领更高的显微镜。1933年，德国人E. Ruska 制成了世界上第一台以电子作为“光源”的显微镜----电子显微镜，也即现在的透射电子显微镜[1]。最早由E. Ruska 等发明的电镜就是透射电子显微镜，其工作原理和光学显微镜十分相似。随着科学技术的进步，各种新技术被应用于TEM的制作工艺中，从而导致TEM性能的不断改善。主要表现在三大方面：TEM本体硬件的发展，TEM所属附件的进一步的发展以及TEM在各个领域中的应用.

2 透射电子显微镜原理及其构造

2.1 TEM的原理

2.1.1 TEM的工作原理

所谓电子显微镜是以电子束为照明光源的显微镜。由于电子束在外部磁场或电场的作用下可以发生弯曲，形成类似于可见光通过玻璃时的折射现象，所以我们就可以利用这一物理效应制造出电子束的“透镜”。投射电子显微镜的特点，在于我们是利用透过样品的电子束来成像，这一点有别于扫描电子显微镜。现代电子显微镜的分辨本领已经可达0.1nm。

2.1.2 TEM的成像原理

金相显微镜及扫描电镜均只能观察物质表面的微观形貌，它无法获得物质内部的信息，而TEM由于入射电子投射试样后，将与试样内部原子发生相互作用，从而改变其能量及运动方向[2]。显然，不同结构有不同的相互作用。这样，就可以根据投射电子图像和相互作用的复杂性，因此所获得的图像也很复杂。它不像表面形貌那样直观，易懂。因此，如何对一张电子图像获得的信息作出正确的解释？如前所述电子透过试样所得到的投射电子束的强度及方向均发生了变化，由于试样各部分的组织结构不同，因而透射到荧光屏上的各点强度是不均匀的，这种强度的分布不均匀分布现象就称为衬度，所获得的电子像称为透射电子衬度像。[3]其形成机制有二种:

1相位衬度如果透射束映射可以重新组合，从而保持他们的振幅和位相，则可只得到产生衍射的。那些晶体面的晶格像，或者一个个原子的晶体结构像。仅适用于很薄的晶体试样(约100埃)。

2振幅衬度振幅衬度是由于入射电子通过试样时，与试样内原子发生相互作用而发生振幅的变化，引起反差。振幅衬度主要有质量衬度和衍射衬度二种：

(1)质厚衬度由于试样的质量和厚度不同，各部分对于入射电子发生相互作用，产生的吸收与散射程度不同，而使得透射电子束的强度分布不同，形成反差。称为质厚衬度。

(2)衍射衬度其主要是由于晶体试样满足布拉格反射条件程度差异以及结构振幅不同而形成电子图像反差。它仅属于晶体结构物质，对于非晶体试样是不存在的。

3 透射电子显微镜发展趋势

3.1 TEM本体硬件的进一步发展

从TEM的发展历史来看，随着技术的进步，各种新技术被应用于TEM的制作工艺中，从而导致TEM硬件性能的不断改善。20世纪30年代末期发明的第一代TEM的分辨率只有3nm，到了50年代达到优于1nm，而在90年代一些特制的TEM更达到了0.1nm。我们有理由相信在制作TEM硬件方面的进步将持续下去。这种进步将表现为新一代TEM的性能越来越好，使用越来越方便，对于操作人员的要求越来越简单[8]。20世纪70年代具有高分辨率的透射电镜和分析电镜出现后，它的分辨水平日臻细微，功能更趋多样，已成为现代实验室中一种不可或缺的研究晶体结构和化学组成的综合仪器。众所周知，界面、位错、偏析物和间隙原子等缺陷结构，对于材料及器件的物理、力学和电学性质产生重要影响，因此获取物质的原子结构、化学成分和局域电子态的信息细节是高分辨分析电子显微学的研究目标。为获得原子间成键信息，要求能量分辨率达0.1～0.2eV，为获得缺陷的原子结构细节，要求“亚埃”的点分辨率。若要在中等电压的电镜中获得“亚埃”和“亚电子伏特”的分辨率，则需要发展配有准单色的电子源、电子束斑尺寸小于0.2nm的聚光镜系统、物镜球差校正器、无像差投影镜和能量过滤成像系统等部件的新一代透射电子显微镜[9]。近年来，透射电子显微镜及相关部件的发展非常迅速，除继续提高场发射枪透射镜的性能和稳定性之外，陆续研发出新一代的慢扫描电荷耦合器件、球差校正器、单色器、高能量分辨率的新一代能量过滤成像系统等，在中等电压的电镜中可以获得“亚埃的空间分辨率”和“亚电子伏特的能量分辨率”。比方说场发射枪透射电子显微镜，场发射枪透射电子显微镜与W或LaB6灯丝热电子发射透射电镜相比，场发射电子枪具有纳米电子束斑亮度高、束流大、出射电子能量分散小和相干性好等优点，可显著提高电镜的信息分辨率，特别适合于纳米尺度综合分析，如亚纳米尺度成分分析、精确测定原子位置、结构因子和电荷密度等。70年代第一台实验场发射枪透射电镜问世以来，特别是20世纪80年代后期具有高性能、高稳定性的场发射枪透射电镜出现后，它的性能日臻完善，已为全世界电子显微学工作者提供了大量的商用场发射透射电镜。近两年出现的新型场发射枪透射电镜有FEI公司的TecnaiG2F30。TecnaiG2F20和JEOL公司的JEM 2100F、JEM3000F、JEM2200FS、JEM3200FS 及LEO公司的SATEM等。