张新阳

摘要：本文主要从透射电子显微镜技术的发展简史及物理原理出发，然后简要说明了透射电子显微镜技术的优缺点及其应用。

关键词：透射电子显微镜技术 透射电子显微镜技术的应用

一、透射电子显微镜技术概述

透射电子显微镜（Transmission electron microscope，缩写TEM），简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像将在放大、聚焦后在成像器件（如荧光屏、胶片、以及感光耦合组件）上显示出来。透射电子显微镜的发展要追溯到很久以前，第一台TEM由马克斯·克诺尔和恩斯特·鲁斯卡在1931年研制，这个研究组于1933年研制了第一台分辨率超过可见光的TEM，而第一台商用TEM于1939年研制成功。恩斯特·阿贝最开始指出，对物体细节的分辨率受到用于成像的光波波长的限制，因此使用光学显微镜仅能对微米级的结构进行放大观察。通过使用由奥古斯特·柯勒和莫里茨·冯·罗尔研制的紫外光显微镜，可以将极限分辨率提升约一倍。然而，由于常用的玻璃会吸收紫外线，这种方法需要更昂贵的石英光学元件。1858年，尤利乌斯·普吕克认识到可以通过使用磁场来使阴极射线弯曲，这个效应在1897年就由曾经被费迪南德·布劳恩用来制造一种被称为阴极射线示波器的测量设备。而实际上在1891年，里克就认识到使用磁场可以使阴极射线聚焦。后来，汉斯·布斯在1926年证明了制镜者方程在适当的条件下可以用于电子射线。1928年，柏林科技大学的高电压技术教授阿道夫·马蒂亚斯让马克斯·克诺尔来领导一个研究小组来改进阴极射线示波器。这组研究人员考虑了透镜设计和示波器的列排列，1931年，这个研究组成功的产生了在阳极光圈上放置的网格的电子放大图像。这个设备使用了两个磁透镜来达到更高的放大倍数，因此被称为第一台电子显微镜。在同一年，西门子公司的研究室主任莱因霍尔德·卢登堡提出了电子显微镜的静电透镜的专利。1927年，徳布罗意发表的论文中揭示了电子这种本认为是带有电荷的物质粒子的波动特性。透射电子显微镜研究组直到1932年才知道了这篇论文，1932年四月，鲁斯卡建议建造一种新的电子显微镜以直接观察插入显微镜的样品，而不是观察格点或者光圈的像。通过这个设备，人们成功的得到了铝片的衍射图像和正常图像，然而，其超过了光学显微镜的分辨率的特点仍然没有得到完全的证明。

二、透射电子显微镜成像的几种原理

电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和第1、第2投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：（1）吸收像：当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。（2）衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射波的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。（3）相位像：当样品薄至100？以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。在放大倍数较低的时候，TEM成像的对比度主要是由于材料不同的厚度和成分造成对电子的吸收不同而造成的。而当放大率倍数较高的时候，复杂的波动作用会造成成像的亮度的不同，因此需要专业知识来对所得到的像进行分析。通过使用TEM不同的模式，可以通过物质的化学特性、晶体方向、电子结构、样品造成的电子相移以及通常的对电子吸收对样品成像。

三、透射电子显微镜的优缺点

电子显微镜常用的有透射电镜（transmissionelectronmicroscope，TEM）和扫描电子显微镜（scanNIngelectronmicroscope，SEM）。透射电子显微镜，可以看到材料的内部，并且可以对材料的晶格排列进行测量，可以看到1nm的尺寸。与光镜相比电镜用电子束代替了可见光，用电磁透镜代替了光学透镜并使用荧光屏将肉眼不可见电子束成像。与光镜相比电镜用电子束代替了可见光，用电磁透镜代替了光学透镜并使用荧光屏将肉眼不可见电子束成像。由于电子的德布罗意波长非常短，透射电子显微镜的分辨率比光学显微镜高的很多，可以达到0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍。因此，使用透射电子显微镜可以用于观察样品的精细结构，甚至可以用于观察仅仅一列原子的结构，比光学显微镜所能够观察到的最小的结构小数万倍。电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍，由照明系统、成像系统、真空系统、记录系统、电源系统5部分构成，如果细分的话：主体部分是电子透镜和显像记录系统，由置于真空中的电子枪、聚光镜、物样室、 物镜、衍射镜、中间镜、 投影镜、荧光屏和照相机。电子显微镜是使用电子来展示物件的内部或表面的显微镜。高速的电子的波长比可见光的波长短（波粒二象性），而显微镜的分辨率受其使用的波长的限制，因此电子显微镜的理论分辨率（约0.1纳米）远高于光学显微镜的分辨率（约200纳米）。在电子显微镜中样本必须在真空中观察，因此无法观察活样本。在处理样本时可能会产生样本本来没有的结构，这加剧了此后分析图像的难度。投射电子显微镜只能观察非常薄的样本，电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片，这种切片需要用超薄切片机（ultramicrotome）制作。以及透射电子显微镜样品准备是需要的时间长。同时物质表面的结构有可能与物质内部的结构不同，电子束可能通过碰撞和加热破坏样本。现在的最新技术可以在电子显微镜中观察湿的样本和不涂导电层的样本（环境扫描电子显微镜，Environmental Scanning Electron Microscopes，ESEM）。假如事先对样本的情况比较清晰的话则可以基本上进行不破坏的观察，此外电子显微镜购买和维护的价格都比较高。TEM的样品准备是需要很长很长时间的。

四、总结

近些年来透射电子显微镜技术发展迅速，透射电子显微镜在材料科学、生物学这两个领域应用比较多，在物理学以及其他相关的一些科学领域也是重要的分析方法。在材料科学领域，透射电子显微镜可以在材料的纳米、微米区域进行物相的形貌观察、成分测定和结构分析，可以提供與多相催化的本质有关的大量信息，指导新型工业催化剂的开发；还可以获取催化剂中纳米结构信息，表征多相催化剂方面；同时在矿物加工与利用的方面也有很大应用。在生物学领域，透射电镜技术可观察到小于0.2μm的细胞的超微结构，从而可在分子层面对果蔬样品进行更深入的研究；透射电镜技术可以应用于确定果蔬的最佳采摘期、采后贮藏条件以及选择适宜的保鲜方法等方面。在物理学领域，透射电子显微镜被用于半导体的研究。透射电子显微镜应用广泛但仍然具有一些缺点，需要进一步完善和改进。

参考文献：

[1]李斗星，《透射电子显微学的新进展Ⅰ透射电子显微镜及相关部件的发展及应用》，电子显微学报

[2]《透射电子显微镜》，维基百科

[3]《透射电子显微镜》，百度百科