摘要：一台典型商用透射电子显微镜（TEM）的采购成本约为每电子伏（eV）入射电子束能量5美元，若配备所有可选配置，总价可轻松达到每电子伏10美元。考虑到我们常用的电子束能量范围为 100,000–400,000 eV，TEM无疑是一种极其昂贵的精密仪器。如此巨额的投

一台典型商用透射电子显微镜（TEM）的采购成本约为每电子伏（eV）入射电子束能量5美元，若配备所有可选配置，总价可轻松达到每电子伏10美元。考虑到我们常用的电子束能量范围为 100,000–400,000 eV，TEM无疑是一种极其昂贵的精密仪器。如此巨额的投资必须建立在充分的科学依据之上。

我们将以 TEM 的历史发展作为开篇，因为这段发展历程与"为什么选择TEM进行材料表征"的诸多理由密切相关。随着仪器技术的持续进步，采用TEM的科学依据也在不断增强。

毫不夸张地说，目前没有任何其他科学仪器能够在如此高的空间分辨率和分析分辨率下，提供如此全面的表征能力，同时对各项技术都具备完整的定量理解基础。随着纳米技术及相关领域日益受到科学界和产业界的重视，一个事实变得越来越清晰：TEM是实现纳米尺度材料与器件"全方位表征"的关键工具。

当然，TEM 的卓越优势也伴随着一些严重局限性；深入了解这些限制与了解其优势同等重要，因此我们将对此进行全面总结。

TEM 以多种不同形式出现，对应不同的专业术语缩写，如 HRTEM、STEM 和 AEM 等，我们将逐一介绍这些不同类型的仪器。值得注意的是，我们使用相同的缩写既表示"技术"（microscopy），也表示"仪器"（microscope）。我们将各种类型的TEM 视为"不同变体"，这正是本书标题仅使用TEM的原因。

此外，我们还将阐述电子的一些基本物理特性。在阅读过程中，你会遇到一些物理和数学内容，这是因为要真正理解 TEM 的能力边界以及为什么需要采用特定操作方式，必须掌握以下基础知识：

电子的基本物理性质

磁场如何在电镜中控制电子

电子与材料的相互作用机制

如何在 TEM 中检测样品产生的各种信号

本章需要你牢记的基本认识不仅包括 TEM 的多重功能特性，更重要的是：TEM 本质上是一台"信号产生与检测"的综合仪器，而不仅仅是用于获取高分辨图像和衍射花样的显微镜——尽管过去几十年它主要以后者的角色运行。

TEM可以研究哪些材料？

传统上，材料科学家的研究范围涵盖金属、合金、陶瓷、玻璃、高分子、半导体及其复合材料，有时也会涉及木材、纺织品与混凝土。这些材料中的许多常以颗粒与纤维的形态出现，在此形态下它们往往已经足够薄，可直接进行 TEM 观察，无需对块体材料进行额外的减薄处理。

纳米技术——本书贯穿始终的核心主题——被定义为："在约 1–100 纳米尺度上理解与控制物质的能力，在该尺度上的独特现象使新颖应用成为可能。纳米技术涵盖纳米尺度的科学、工程与技术，包括在该长度尺度上对物质的成像、测量、建模与操纵。"这些"成像、测量、建模与操纵"功能正是 TEM 的强项，它们常被归纳为"纳米表征"这一新兴术语——尽管我们会尽量少用它。

当我们制备纳米尺度材料时，它们在一维、二维或三维上都存在特定的尺寸约束，而 TEM 恰恰因为这些约束而极其适合观察此类材料。

单层结构（如石墨烯片或量子阱）、纳米管与纳米线、量子点、纳米颗粒以及大多数催化剂颗粒都可归类为一维结构——由于"一维"本身就足够薄，我们可以将所有这些样品直接置于 TEM 中观察，无需任何改造。二维纳米材料主要包括各种界面；复杂的三维纳米材料则以多层半导体器件、功能材料或多孔结构（如用于催化剂颗粒分散的载体）为典型代表。

值得注意的是，纳米世界与生物世界正在快速融合。虽然过去十多年来，许多生物电镜应用已被损伤更小的技术（如共聚焦、双光子、多光子与近场光学显微技术）所取代，但TEM在生物材料、生物/无机界面以及纳米-生物复合材料研究中仍发挥着重要作用。

为什么使用电子？

从历史角度看，TEM 的开发源于可见光显微镜受限于光波长的分辨率瓶颈。随着电子显微镜技术的发展，人们逐渐认识到使用电子还有诸多同样重要的理由，这些理由在现代 TEM 中都得到了不同程度的体现。为了深入理解这种仪器的优势与不足，让我们首先回顾 TEM 的发展历程。

发展简史

Louis de Broglie（1925）首次提出电子具有波动性，且其波长远小于可见光。1927年，Davisson 与 Germer、Thomson 与 Reid 两个研究小组独立进行了经典的电子衍射实验，证实了电子的波动特性。随后，电子显微镜概念的提出水到渠成。

"电子显微镜"一词首次出现在 Knoll 与 Ruska（1932）的论文中，他们将电子透镜的理论概念转化为现实，并在图1所示的仪器上成功演示了电子成像。

图1 | 20世纪30年代初，Ruska（穿实验服者）和Knoll在柏林制造的电子显微镜

这一突破具有里程碑意义。Ruska 因此获得了1986年的诺贝尔奖，距离他 1988 年逝世仅有两年。更令人惊叹的是，Knoll与Ruska论文发表仅一年后，电子显微镜就突破了光学显微镜的分辨率极限。有趣的是，Ruska 后来透露，他当时并不了解 de Broglie 的电子波理论，甚至认为波长限制并不适用于电子——这更彰显了Ruska突破的非凡意义。

商用TEM在四年后便问世了。首台商用仪器是1936年在英国制造的 Metropolitan-Vickers EM1，但性能并不理想。真正意义上的商用 TEM 规模化生产始于德国西门子（Siemens & Halske）在 1939 年的努力。二战结束后，日立、JEOL、飞利浦、RCA 等厂商的 TEM 开始大量涌现。

对材料科学家而言，20世纪50年代中期出现了一个极其重要的发展：瑞士的 Bollman 以及英国剑桥的 Hirsch 团队完善了金属箔减薄至电子透明的技术，并建立了电子衍射衬度理论。（正因为早期 TEM 工作主要研究金属样品，"箔"（foil）逐渐成为"样品"（specimen）的同义词，大家也经常如此使用。）这使我们如今能够定量识别 TEM 图像中的各种线缺陷与面缺陷。这些成果汇集成了一本经典教材，常被誉为TEM的"圣经"（Hirsch ，1977）。

在美国，Thomas 率先开拓了 TEM 在材料科学中的实际应用，并在其教材中系统阐述。随后涌现了其他面向材料的教材，其中以 Edington 撰写的第一本学生友好的"实用"教材最为著名。

如今，TEM 堪称表征材料最有效、最通用的工具，其应用范围从原子尺度延伸到不断扩展的"纳米"范围（

显微学与分辨率概念

如果询问"大多数人心目中的显微镜是什么"，答案通常是：一种能够放大肉眼不可见物体的仪器，即可见光显微镜（VLM）。基于人们对 VLM 的熟悉程度，我们将在适当时候将电子显微镜与光学显微镜进行类比。

VLM 术语说明：我们避免使用"光学显微镜"（所有显微镜都涉及光学）和"光显微镜"（表述不够准确）等说法。采用"可见光显微镜"这一术语更为准确恰当。

人眼能够分辨的两点间最小距离约为 0.1–0.2 mm，这取决于视力水平和光照条件。这个距离就是我们眼睛的分辨率，或更准确地说是"分辨本领"。因此，任何能够显示比 0.1 mm 更精细细节的仪器都可称为"显微镜"，而其最高"有效放大倍数"受分辨率限制。

对TEM早期开发者而言，主要吸引力在于：由于电子远小于原子，理论上应该能够构建一台"观察"到远低于原子尺度细节的显微镜。用电子来"观察"可能令人困惑：人眼对电子并不敏感。如果将高能电子束射入眼中，很可能因电子杀死视网膜细胞而导致失明，但你不会"看到"任何东西。因此，电子显微镜必不可少的组成部分是某种观察屏（现在通常是平板显示器），它将电子强度转换为光强度，供我们观察并进行摄影记录或数字存储。

TEM 的"分辨率"对于仪器的不同功能具有不同含义，我们将在相应章节讨论。理解 TEM 成像分辨率最简单的方法是采用 VLM 的经典瑞利判据。该判据表明，可分辨的最小距离 d 近似为：

d=0.61λ/μsinβ (1)

其中，λ 是辐射波长，μ是观察介质的折射率，β 是放大透镜的收集半角。为简化计算，可将 μsinβ（有时称为"数值孔径"）近似为 1，因此分辨率约等于波长的一半。对于可见光中部的绿光（λ≈550λ≈550 nm），优质 VLM 的分辨率约为 300 nm。

在 TEM 中，我们可用类似于式（1）的表达式来估算最佳分辨率（实际上约为 1.22λ/β），如后文所示，这个值极小。

尽管 300 nm 对我们而言已经很小，但它大约相当于1000 个原子直径。因此，控制材料性能的许多特征其尺度远小于 VLM 的分辨率。同时，300 nm 也远大于我们之前定义的纳米范围上限。这确实表明在纳米材料科学与工程中，确实需要"原子尺度成像"来理解并最终控制材料性能，这正是 TEM 如此重要的原因之一。

19世纪末，人们已充分认识到 VLM 的这一局限，促使该领域权威 Ernst Abbe 感叹："指望人类的聪明才智找到克服这一限制的方法，实在是微乎其微。"（他的悲观并非毫无道理，因为他于1905 年去世，比 de Broglie 的巧妙解决方案早了约 20 年。）

Louis de Broglie 的著名方程表明，电子波长与其能量 EE 相关。忽略相对论效应，我们可以得到近似表达式（忽略单位换算）：

λ=1.22E1/2 (2)

其中 E 以 eV 为单位，λ以 nm 为单位。由式（2）可知：对于 100 keV 电子，λ≈4λ≈4 pm（0.004 nm），远小于原子直径。

V 与 eV 的区别：务必准确使用这些单位：V 代表显微镜的加速电压，eV 指显微镜中电子的能量

正如我们将看到的，目前尚无法制造"完美"的 TEM 来接近由波长决定的分辨率极限，因为我们无法制造"完美"的电子透镜。直到最近，顶级电子透镜仍可恰当地比作用可乐瓶底做光学显微镜的透镜。在 Ruska 透镜早期工作的基础上，进展一直很迅速。自20世纪70年代中期起，许多商用 TEM 已能分辨晶体中的原子柱，从而开创了高分辨透射电子显微镜（HRTEM）领域。图2A 显示了典型的 HRTEM 图像。

图2A | 尖晶石中从一个{111}晶面跨越到另一个平行晶面的孪晶界。白色圆点是原子柱。即使我们不知道这些白色圆点的成因或者它们为什么呈现白色，也可以清楚地看到跨越孪晶界的原子取向变化。

短波长优势在20世纪60年代催生了高电压电子显微镜（HVEM），加速电压达 1–3 MV。实际上，大多数此类仪器并非用于突破分辨率极限，而是用于向样品引入可控的辐照损伤，以模拟核反应堆环境。三里岛和切尔诺贝利事故改变了能源研究重点；近年来对 HVEM 的需求并不大。如今，气候变化促使人们重新考虑核能发电。

20世纪80年代仅建造了一台用于 HRTEM 成像的 1 MV HVEM，90年代又有三台 1.25 MV 仪器。80年代引入了中等电压电子显微镜（IVEM），工作电压为 200–400 kV，但仍可提供接近 1 MV 水平的极高分辨率。实际上，进展如此迅速，以至于目前购买的大多数 IVEM 实际上都是具有原子分辨率的 HRTEM。

分辨率提升仍在继续。近年来球差和色差校正的突破正在革命性地改变TEM 领域。球差（我们记作 Cs）和色差（Cc）校正除了诸多优势外，还能让我们获得更清晰的原子分辨图像。通过滤除不同波长的电子，我们还能更好地对较厚样品成像。

IVEM 与 Cs 校正的结合已将 TEM 成像分辨率推进到远低于 0.1 nm（1 Å）的水平。现在或许已到了这样一个节点：继续追求更高分辨率不再是最重要的，TEM 将在其他方面实现更具建设性的发展。正如我们在全书中多次阐述的，Cs 校正可能是 TEM 技术数十年来最激动人心的进步之一。

图2B和C精美地展示了有无 Cs 校正时典型原子分辨图像的差异。

图2 | (B) SrTiO3中未经Cs校正成像的晶界和(C)经Cs校正后的晶界。这种效果就像戴上老花镜一样显著

Cs、Cc 与放大倍数：尽管我们赞美 Cs 校正的优点，但值得指出的是，在大多数 TEM 图像记录的放大倍数下，这种校正并不会带来明显差异。大多数 TEM 样品并不足够薄，无法获得能从 Cs 校正中受益的分辨率。对于较厚样品，通过能量过滤实现的 Cc 校正更为实用。

电子与物质的相互作用

电子属于电离辐射，这一术语泛指能够通过向样品中单个原子传递部分能量，将紧束缚的内层电子从原子核引力场中移除的辐射。

使用电离辐射的优势之一是它能从样品中产生多种次级信号，部分信号如图3 所示。其中许多信号用于分析电子显微术（AEM），帮助我们获得化学信息和样品的详细特征。

图3. 高能电子束与薄试样相互作用时产生的信号。这些信号中的大部分都可以在不同类型的TEM中检测到。图中显示的各信号方向并不总是代表信号的物理方向，而是以相对的方式表示信号最强的位置或检测信号的位置。

AEM 采用 X 射线能谱（XEDS）和电子能量损失谱（EELS）。例如，图4A 显示了来自图4B 所示 TEM 样品中极小区域的 X 射线谱。谱中的特征峰可用于识别不同区域的不同元素。我们能将此类谱转换为样品中所有元素分布的定量图像（图 4C），并从这些图像中提取与非均匀显微结构相关的元素变化定量数据，如图4D 所示。

图4. (A) 镍基超合金试样中三个不同区域的X射线光谱，该试样如(B)所示。光谱的颜色与(C)中突出显示的试样不同区域颜色相匹配，(C)是一个定量映射图，显示(A)中光谱检测到的元素分布（例如，绿色区域富含Cr，蓝色区域主要包含Ti等）。(D)显示了横跨(C)中一个小基体析出物的局部成分变化的定量成分剖面图。

后续课程将讨论EDS分析和类似的 EELS 分析。相比之下，使用非电离辐射（如可见光）的显微镜通常只产生光（少量热，这是好事）。

为从样品获得最佳信号，我们必须提供最佳输入信号，因此电子源至关重要。现代 TEM 是极其出色的信号产生仪器。要将这些信号局域化，我们需要 TEM 产生极小的电子束（常称为"探针"），直径通常

我们将 TEM 与扫描电子显微镜（SEM）技术相结合，形成扫描透射电子显微镜（STEM）。STEM 既是 AEM 的基础，也是独立的扫描成像（或扫描探针）显微镜。实际上，也有只能扫描模式运行的仪器，常称为专用 STEM 或 DSTEM。在中等电压下，AEM 提供更优的分析性能，类似于标准 TEM 在成像分辨率方面的改进。

最重要的是，Cs 校正使我们能够产生更小、束流更高的电子探针，从而显著提升分析的空间分辨率和灵敏度。色差校正（即能量过滤）也提供了对特定能量电子系列成像的机会，从而实现带隙成像和化学键成像等突破。

景深与焦深

显微镜的"景深"衡量观察对象中能同时保持清晰的深度范围；"焦深"指图像相对物体在多大距离范围内移动仍能保持清晰。如果感到困惑，回想一下日常摄影中，"景深"和"视场"都是指对象的特性。TEM 中的透镜决定了这些性质，也决定了分辨率。

如前所述，电子透镜并不十分理想。改善其性能的方法之一是插入极小的限制光阑，将电子束聚焦成细"铅笔尖端形状"，最粗不过几微米。光阑显然会降低电子束强度，但也会增加样品的景深和获得图像的焦深。

这种大景深主要在 SEM 中用于对表面形貌变化较大的样品生成"类似3D"图像，但在 TEM 中也至关重要。事实证明，在 TEM 中，只要样品"对电子透明"，通常从上表面到下表面都会同时处于焦内，与表面形貌无关！图5 展示了晶体中一些位错的 TEM 图像。位错似乎在样品中出现和消失，但实际上它们是从样品上表面贯穿到下表面的"穿透位错"，始终保持清晰聚焦。

图5. GaAs（砷化镓）中位错（黑线）的TEM图像。图像中部带状区域的位错位于相互接近90°的滑移面上，它们从样品顶部穿过薄片至底部，但在整个薄膜厚度范围内保持焦点清晰。

此外，你可以在物镜下方的不同位置记录最终图像，它仍会保持聚焦（尽管放大倍数会变化）。将这些特性与 VLM 比较：除非样品表面平整度达到可见光波长量级，否则不会同时都处于焦内。TEM 的这一特性相对于 VLM 既有优势也有劣势。

需要注意的是，在这种少见情况下，Cs 校正并非优势，因为它允许使用更大的光阑而不降低透镜分辨率；但恰恰是更小的光阑才能提供更好的焦深和景深。不过，如果使用了 Cs 校正器，样品必须非常薄，以至于除极端条件外仍会保持聚焦。

衍射

如前所述，Thompson、Reid、Davisson 和 Germer 各自独立证明了电子通过薄镍晶体时会发生衍射。在 TEM 中实现电子衍射由 Kossel 和 Möllenstedt（1939）首先完成。

今天，电子衍射已成为 TEM 不可或缺的组成部分；对材料科学家和纳米技术研究者而言，它是最有用的功能之一，因为晶体结构（特别是晶体缺陷）是控制性能的关键特征。图6 显示了 TEM 衍射花样（DP），包含关于晶体结构、晶格重复距离和样品形状的信息（且视觉效果突出）。我们将看到，DP 总是能与其对应区域的样品图像相关联（图中插图即为该区域）。

图6 | 含有各种沉淀相的Al-Li-Cu薄膜的TEM衍射图案，如插图所示。中心亮点(X)包含直接穿过薄膜的电子，而其他亮点和线条是从不同晶体平面散射的衍射电子。

除了刚才列出的信息外，如果将通常平行的 TEM 入射束聚焦为探针，还能获得更令人惊叹的会聚束衍射花样，由此可对微小晶体进行完整的晶体对称性分析，包括点群和空间群确定等精细工作。你现在也不应感到惊讶：像差校正能获得更好的 DP，既更清晰（降低色差），又可来自更小的样品区域（降低 Cs）。由于可见光波长较长，VLM 中的晶体结构不产生衍射信息。

任何时候，DP 中的晶体学信息（以及所有分析信息）都可与样品图像相关联。

综上所述，TEM 能够获得原子分辨图像，产生多种揭示样品化学和晶体学信息的信号，并且始终能获得聚焦图像。与此同时，也有许多理由说明我们不应总是指望 TEM 来解决问题；了解仪器的局限性同样重要。

TEM 的局限性

取样问题

TEM 的上述优势也带来相应的缺点。首先，任何高分辨成像技术的代价都是：任一时刻只能观察样品的一小部分。因此，分辨率越高，仪器的取样能力越差。

Von Heimendahl（1980）引用了 Swann 约在1970年的估算：自商用 TEM 首次问世以来的约15年间，所有 TEM 总共只观察了 0.3 mm³ 的材料！将此计算延伸至今，可能也不过10³ mm³。因此，我们拥有的并非一台优秀的"取样工具"！

这一取样问题强调了一个重要原则：如果你刚开始研究，在将样品置于TEM 之前，必须首先使用分辨率较低但取样能力较强的技术（如肉眼观察、VLM 和 SEM）检查样品。换言之，先了解"森林"全貌，再观察"叶脉"细节。

透射图像的解释

另一个问题是 TEM 呈现的是三维样品的二维透射图像。我们的眼睛和大脑习惯于理解反射光图像，却不擅长解释 TEM 图像，因此必须格外小心。

Hayes 用一张绝佳的照片说明了这个问题：两只犀牛并排站立，看起来像一头双头怪兽（见图7）。正如 Hayes 所言："看到这张图时我们会发笑"（因为我们理解其三维真实情况），"但当我们在 TEM 中看到类似（但更具误导性）的图像时，我们却发表论文！"因此要警惕 TEM 图像中非常多的假象。

图7 | 两只犀牛的照片，拍摄角度使它们在投影中看起来像一只双头野兽。这种反射光图像中的投影伪影很容易被人眼识别，但TEM图像中类似的伪影却容易被误认为是"真实"特征。

这种特定缺陷有时也称为"投影限制"：因为本书讨论的所有TEM 信息（图像、DP、谱）都沿样品厚度方向"平均化"。换言之，单个 TEM 图像本身不具备"深度敏感性"。

如图5 所示，我们有时确实能获得关于薄箔上下表面的一些信息，但这并不立即显现。因此，如需对样品进行"完整"表征，有必要引入其他对表面更敏感或对深度更敏感的技术作为补充，例如场离子显微术、扫描探针显微术、俄歇电子能谱和卢瑟福背散射等。

不过，在克服这一限制方面已有进展。对关注复杂分子、细胞及其他天然结构形状的生物学家而言，这个问题曾经更加突出。因此他们发明了"电子断层"（electron tomography）：通过在不同倾斜角度采集的一系列图像重建三维图像，其原理与更熟悉的医学 X 射线计算机断层扫描（CAT）完全相同。

近年来，样品杆设计快速进步，可实现完整的360°旋转；结合便捷的数据存储和处理，纳米技术研究者已开始使用此技术研究复杂的三维无机结构，如含催化剂颗粒的多孔材料。

电子束损伤与安全

电离辐射的一个不利影响是可能损伤样品，特别是聚合物（及大多数有机物）或某些矿物和陶瓷。在更高电压下，电子束损伤的某些方面会加剧；随着商用仪器达到 400 kV，电子束损伤现在甚至在难熔金属中也可能成为限制因素。使用因 Cs 校正而实现的更高强度电子束使情况更加严重。图8 显示了被高能电子损伤的样品区域。

图8 | 石英在受到125 keV电子轰击后的束损伤（明亮的气泡状区域）。从（A）到（B），随着时间的增加，损伤区域的尺寸不断增大。

然而，并非束手无策：我们可以结合使用更强的电子源和更灵敏的电子探测器，并通过计算机增强含噪图像，将样品受到的总剂量降至损伤阈值以下。

最小剂量显微术常与样品冷却和低噪声 CCD 相机相结合，这是生物 TEM 的标准方法，即使每 nm² 只有几百个电子入射也能获得图像。这些方法在材料 TEM 中应用日益广泛，而在 STEM 中对电子束的数字化控制也是最小化辐照损伤的另一种途径。

高千伏电子束与高亮度电子源的结合意味着：如果不小心，几乎可以摧毁任何样品。同时永远不要忘记一个危险：将自己暴露于电离辐射中。现代 TEM 具有极高的工程标准，设计时将安全放在首位，但切记：你正在操作一种潜在危险的仪器，它能产生杀死组织的辐射水平（在技术发展早期确实对一些操作员造成了伤害）。因此，未经制造商协商且未进行常规辐射泄漏测试，切勿以任何方式改装显微镜。如有疑虑，就不要做！

样品制备

要在TEM中用透射电子获取信息，样品必须足够薄。"薄"是相对概念，此处指对电子透明。要使样品"对电子透明"，它必须薄到能透过足够多电子，使屏幕、CCD 或胶片上有足够强度，在合理时间内得到可解释的图像。

一般而言，这一要求取决于电子能量和样品的平均原子序数（Z）。典型地，对 100 keV 电子，铝合金样品厚度达约 1 μm 仍算薄，而钢样品厚度达数百纳米仍算薄。

然而，TEM 中有一条准则：几乎总是"越薄越好"，应尽可能使用

伴随这些限制的是专门样品制备工具——聚焦离子束（FIB）的发展。半导体器件制造商大量依赖它们，在几十分钟内从拥有数百万个门或结的12英寸超大规模集成（VLSI）晶圆中，针对性地制备特定单个门或结的薄箔。唯一的缺点是：购买一台 FIB 的成本与购买一台 TEM 相当。我们将在后面讨论FIB方法和其他样品制备方法。

这里值得注意术语区别。"sample"（样品）和"specimen"（试样）两词经常互换使用，但在本书中，我们将"specimen"特指：用样品杆插入 TEM 的那块薄材料，假定它是从更大体积的"bulk sample"（块体样品）中减薄而来，而你想研究的材料正是这个块体样品。

综上所述，你应该已经理解：虽然 TEM 及相关技术在正确使用时是极其强大的表征工具，但它们绝不应"单独"用于解决材料问题。进行 TEM 研究之前，你必须用肉眼、VLM 和 SEM 在低放大倍数下了解材料。否则，你可能会陷入我们刚才列出的某些局限性陷阱。不过你也应该认识到：我们正在不断改进这一技术，克服这些局限，同时进一步发挥其优势。

不同类型的 TEM

通过前文阅读，你会发现 TEM 有多种不同类型：HRTEM、HVEM、IVEM、STEM 和 AEM。尽管每种仪器都有专门的著作论述，但我们的观点是：这些只是"基础 TEM"的不同形态，因此本书将以此为原则进行讲解。实际上，现代的 200 或 300 keV TEM 能够集成上述各类显微镜的多种功能。

图9 展示了几种不同类型的 TEM，让我们来考察这些仪器的特征。HVEM 通常需要两到三层楼高的空间；图中的操作人员清楚地显示了其巨大尺度。现代仪器本质上是一根维持高真空的电子光学柱，透镜和大部分功能都可通过一台或多台计算机控制。

图9 |各种商用透射电镜（TEM）

值得注意的是，DSTEM 只配备一个平板显示器，没有内置观察屏。这种设计在 TEM 中日益流行，因为显示屏不在电镜内部，操作者无需身处同一房间、同一建筑，甚至同一国家。将操作者从 TEM 周围环境中分离出来，可以消除许多影响仪器最佳性能的干扰因素。

远程操作（或称"远程呈现"）正成为越来越有吸引力的功能特性。它将使更多研究人员能够使用最先进的 TEM 设备，就如同天文学界共享大型望远镜资源一样。

电子的基本性质

本书将多次涉及电子的基本性质。你知道电子既表现出粒子性，也表现出波动性——这体现了量子物理学中一个令人困惑但我们必须接受的奥秘。

电子的波粒二象性

TEM 实际上每天都在重现电子的粒子性和波动性，这相当于 G. I. Taylor 著名实验的电子版：他使用极弱的光源，虽然任何时刻只有一个光子通过狭缝，却仍能观察到杨氏双缝干涉条纹。

TEM 中的电子束流可达0.1–1 μA，相当于约 10¹² 个电子通过样品平面。但在 100 keV 能量下，这些电子以约 0.5c（实际约 1.6×10⁸ m/s）的速度运动，因此它们之间相距约 1.6 mm。这意味着在任何时刻，样品中最多只有一个电子存在。

尽管如此，电子衍射和干涉现象仍然发生，而这两种现象都属于波动行为，理论上需要不同电子波之间的相互作用。虽然存在这种悖论，但我们对电子及其行为已有深入了解。

电子波长与加速电压的关系

有几个重要方程需要掌握。首先，基于 de Broglie 的波粒二象性理论，我们可以通过λ 与 V 的反比关系得出一个重要结论：通过提高加速电压，我们可以减小电子波长。而作为操作员，你随时都能调节这个参数！

Williams D B D B , Carter C B .Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science[M].Plenum Press,1996.

来源于老千和他的朋友们，作者孙千

来源：芯片测试赵工