电子显微镜入门手册(FEI)

nano e hnolo y nanotechnology note l

技术
EM 200
ISBN 978-0-578-06276-1

目录
本手册是电子显微镜和离子束显微镜的 启蒙读本，旨在引领学生和其他对此感 兴趣者进一步了解此迷人科学探索领域 背后的历史、技术和仪器。其目的在于 概要介绍电子显微镜和离子束显微镜的 工作方式，显微镜能够产生何种结果， 以及研究人员和科学家如何使用其数据 解决当前时代的一些最大挑战。 本手册中有不少令人惊叹的纳米级图 像，它们大多经过着色处理，这样便可 取得理想的视觉和艺术效果。 应用领域 ...................................................32 词汇表........................................................34 底层大有可为 (There’s Plenty of Room at the Bottom) ............................................. 2 介绍 .............................................................. 3 透射电子显微镜 .......................................9 扫描电子显微镜 .....................................20 扫描透射电子显微镜 ............................26 聚焦离子束系统和 DualBeam? 系统 ......................................28

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介绍
底层大有可为 (There’s Plenty of Room at the Bottom)
1959 年 12 月 29 日，著名物理学家理查德·费曼 (Richard Feynman) 在加州理工学院 (Caltech) 举行的美国物理协会年会 上发表题为“底层大有可为” (There’s Plenty of Room at the Bottom) 的演讲，以此邀请全世界科学家步入一个新发现的 领域。此后，许多科学家将此次演讲视为现代纳米技术领域 的起源。2009 年是此次演讲的 50 周年，而当前背景也正适 合回顾这几十年电子显微学（纳米科学研究主要工具之一） 领域取得的非凡进步。费曼当时明确指出未来电子显微镜的
理查德·费曼于 1959 年 12 月 29 日在 加州理工学院发表演讲。
分辨率将达到其所在时代显微镜的 100 倍，而那时的显微镜 最多仅能辨析至约一纳米的精度。虽然我们还没有实现提高 100 倍的目标——迄今最高分辨率为 0.05 nm，即 20 倍的提 高，但对于他预想的能力强大到足以看清单个原子的显微 镜，我们确实已经做到了。
关于出版者
FEI 公司是全球透射和扫描电子显微镜和离子束显微镜的领跑者。我们进入显微镜领域 的时间可追溯至 20 世纪 30 年代中期，当时我们与英国和荷兰的大学合作开展研究计 划。然后至 1949 年，公司推出了自己的首款商业产品，EM100 透射电子显微镜。由于 对技术创新的重视，加上对电子与离子光学、精密机械、微电子、计算机科学和真空 工程等相关技术的整合，FEI 此后便一直引领全球电子和离子显微镜的发展。也正是此 种创新和教育精神，使 FEI 出版了本手册第四版。
创新

介绍
显微镜一词源于希腊语的 mikros（小）和 skopeo（观 看）。自科学曙光普照世界以来，人们一直兴致勃勃地 期望看清周围世界越来越小的细节。生物学家希望能研 究细胞、细菌、病毒和胶粒的结构，材料科学家希望能 看清金属、晶体和瓷器的非均匀性和缺陷，而在地质学 中，使用显微镜来研究岩石、矿物和化石的细致结构使 人们得以深刻认识地球起源和宝贵矿产资源。
无人知道显微镜的实际发明人。光学显微镜可能是在 17 世纪 伽利略发明的望远镜的基础上发展而来的。能观看极为细小物 体的最早仪器之一是由荷兰人安东尼·范·列文虎克 (Antony van Leeuwenhoek) (1632-1723) 发明的，它由具有强大聚焦能力的凸 透镜和放置研究对象的可调节支架构成。借助此显然非常简单 的显微镜，范·列文虎克似乎已经能将物体放大 400 倍。因此 他发现了原生动物、精子和细菌，并且依据形状对血红细胞进 行分类。 范?列文虎克显微镜的限制因素是仅使用了单片凸透镜。但通 过增加一片凸透镜，使其进一步放大首片凸透镜生成的图像便 可解决该问题。此类复合式显微镜由物镜、目镜、聚焦工具、 反光镜或光源以及放置、固定样品的样品台构成，是现代光学 显微镜的鼻祖。
安东尼·范·列文虎克光学显微镜复制品（其所制作的 550 件里的一个）
列文虎克 (Leeuwenhoek)
人眼的分辨率
在光线充足时，人类肉眼可以分辨相隔 0.2 mm 的两点。如果两点 距离再近一点，人类肉眼会将其看作一点。那么此间距即称为人类 肉眼的分辨力或分辨率。单片透镜或透镜组（显微镜）可用于放大 这样的间距，使人类肉眼可以看清间距短于 0.2 mm 的两点。举个 例子，尝试用放大镜去观看报纸图片或杂志图片。人们会看到图片 实际由众多极小且极为靠近的小点构成，而人眼可以看清每个小 点。同样的现象在放大 LCD 电脑显示器或平板电视时也可以看到， 通过放大，人们看到了构成图像的单个“像素”。

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介绍
显微镜类型
大多数显微镜属于以下三种基本类型之一：光学显微镜、带电 粒子（电子和离子）显微镜或扫描探针显微镜。从高中科学实 验室到医生办公室都可以见到光学显微镜，因此它是人们最熟 悉的一种显微镜。借助可见光和透明透镜，此类显微镜可用于 观看小至约只有一微米（百万分之一米）的物质，如红血细胞 (7 μm) 或人类头发 (100 μm)。而本手册的主题是电子和离子显 微镜，此类显微镜使用带电粒子束而非可见光形成图像，并利 用电磁或静电“透镜”来聚焦带电粒子。此类显微镜甚至可以 看清小至十分之一纳米（百亿分之一米）的物质，例如单个原 子。扫描探针显微镜使用物理探针（极小且极尖的针头）以接 触或极靠近物体表面的方式扫描样品。它们通过描绘探针和样 品间的各种作用力和相互作用方式来形成图像。此类仪器也能 达到原子尺度分辨率。 现代光学显微镜（通常缩写为 LM）的放大倍数大约可达 1000 倍，使人眼能将相距仅 200 nm 的物体区辨开来。科学家和发 明家绞尽脑汁，力图实现更高的分辨率，但他们很快发现，显 微镜的分辨率不仅受限于透镜数量和质量，而且受限于照明光 线的波长。如果使用可见光，显微镜不可能分辨物体内间距少 于数百纳米的两点。虽然使用更短波长的光线（蓝色光或紫外 线）可稍微提高显微镜的分辨力，或者将样品和物镜正面浸泡 于高折射率介质（如油）中也可稍微提高显微镜的分辨力，但 是这些措施终究仅能将显微镜的分辨力提高到略低于 100 nm。 20 世纪 20 年代，人们发现在真空中加速的电子的特性与光线 极为相似。它们直线传播，拥有类似波浪的性质，其波长大约 比可见光短 10 万倍。此外，有人发现，电场和磁场可用于控 制电子的运动路径，这与使用玻璃透镜弯曲并聚焦可见光的方 法类似。柏林大学的 Ernst Ruska 在 1931 年利用这些特性发明了 第一部透射电子显微镜 (TEM)。鉴于此项成果及随后在此课题 中所作的研究，他于 1986 年被授予诺贝尔物理学奖。首部电 子显微镜使用了两片磁透镜，三年后他增加了第三片磁透镜， 结果将分辨率提高到 100 nm，这已是一般光学显微镜分辨率的 两倍。时至今日，电子显微的分辨率已经达到 0.05 nm 以下， 是一般光学显微镜的 4000 倍，是人眼的 400 万倍。
Ernst Ruska
? TU Berlin
分辨率与波长
当波通过障碍物内的开口时，例如镜头的光圈，光圈的边缘会令其产生衍 射，即使形状完美的镜头也会因衍射而分辨率受限。这也是高质量光学透 镜被称为衍射限制性透镜的原因所在，其质量可以不断优化，但任何提高 透镜表面质量的努力却无法提高其分辨率。衍射量是孔径光阑（简称孔 径）大小和光线波长的函数，孔径越大，波长越短，分辨率越高。TEM 所 用的电子的波长可能仅为几个皮米 (1 pm = 10-12 m)，比可见光的波长 (400-700 nm) 短 10 万倍。遗憾的是，电子显微镜使用的磁透镜无法达到电 子衍射限制水平的成像性能，因此电子显微镜并没有完全发挥电子波长更 短的优势。最终，电子显微镜的分辨力由电子束加速电压、孔径大小和透 镜像差综合决定。
good resolution high frequency wavelength poor resolution
low frequency wavelength

介绍
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扫描显微镜
设想一个人独自待在未知的黑暗房间 内，手中仅有一个强聚焦手电筒。如 果要探索这个房间，你可以使用手电 筒从一侧到另一侧系统性扫描房间， 然后逐渐下移继续扫描（形成扫描光 栅图样），这样你就可以在记忆中生 成房间内物体的图像。扫描电子显微 镜与此类似，只不过其使用电子束， 而非手电筒；使用电子探测器，而非 人眼；使用电脑内存而非人脑来生成 样品表面图像。
light microscope
TEM
electron source
?rst condenser lens condenser aperture objective aperture selected area aperture second condenser lens objective condenser lens minicondenser lens specimen (thin) objective imaging lens di?raction lens intermediate lens ?rst projector lens second projector lens objective lens light beam specimen projection chamber light source ?uorescent screen
电子
原子由质子、中子和电子组成。带正 电的质子和中性的中子紧密结合在原 子核内。带负电的电子则围绕着原子 核。一般来说，质子的数量等于电子 的数量，因此原子整体是中性的。当 原子因失去或得到电子而偏离正常结 构时，其将带上净正或负的电荷，此 时它被称为离子。电子比原子核轻大 约 1800 倍，并占据多个运动轨道，每 个轨道可容纳的最大电子数量是固定 的。但是，当电子脱离原子后，它们 的行为与光线类似。电子显微镜正是 利用电子的这种行为特性来实现显微 功能。虽然我们不应忽视电子在原子 内扮演的角色，但在讨论此主题前我 们先谈谈其他内容。
SEM electron source anode gun align coils lens 1 lens 2 electron beam scan & stig coils lens 3 collector system Ga+ LMI source suppresser extractor lens 1
FIB
octopole alignment blanking plates blanking aperture scan & stig octopoles lens 2 continuous dinode detector
secondary electrons electron beam impact area specimen (thick) vacuum
secondary electrons or ions ion beam impact area specimen (thick)
turbo/di? pump roughing line
turbo/di? pump roughing line
图1 光学显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜和聚焦离子束显微镜的对比。

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介绍
透射电子显微镜
透射电子显微镜的工作原理可用幻灯片投影机作比拟。幻 灯片投影机光源发出的光线借助聚光镜转变成平行光束， 并穿过幻灯片（相当于物体），然后物镜将平行光束聚 焦，产生放大的图像并投影到屏幕上。而在透射电子显微 镜内，光源被替换为电子源，玻璃透镜被替换为磁透镜， 投影屏幕被替换为荧光屏，这是一种受到电子撞击时会发 出光线的屏幕，或者更频繁地应用现代仪器，如电荷耦合 件相机等电子成像设备。并且从光源到荧光屏的电子运 动轨迹完全处于真空条件下，同时样品（物体）必须非常 薄，以使电子能穿透而过。并非所有样品都能制作得薄到 足以令透射电子显微镜使用，或者，如果我们想要观察的 是样品表面，而非穿透样品的投影，则我们需要使用扫描 电子或离子显微镜。
objective lens ?uorescent screen aperture specimen (thin) projector screen objective condenser lens lens slide
slide projector
light source
TEM electron beam
condenser lens
electron source
扫描电子显微镜
目前根本无法确知是谁第一个提出可以通过使用细微的聚 焦电子束扫描样品来生成图像。最先发表的有关描述是德 国物理学家 Max Knoll 于 1935 年撰写的一篇论文。虽然另 一名德国物理学家 Manfred von Ardenne 在 1937 年就使用了 一部所谓的扫描电子显微镜 (SEM) 做过一些实验，但直到 1942 年，三名美国人 Zworykin、Hillier 和 Snijder 才首次描 述了一部分辨力可达 50 nm 的真正扫描电子显微镜。现代 扫描电子显微镜的分辨力可达 1 nm 以下。图1 对比了光学 显微镜（使用透射或折射光）、透射电子显微镜、扫描电 子显微镜和聚焦离子束显微镜的基本成像原理。
图2 透射电子显微镜与幻灯片投影机的对比。
含金刚石矿石（产自南非）
原子尺度下的金纳米桥 (nanobridge) 现代透射电子显微镜 Titan? 80-300

介绍
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扫描透射电子显微镜
结合 TEM 和 SEM 原理进行工作的显微镜通常被称为扫描透射电子显微镜 (STEM)， Manfred von Ardenne 在 1938 年第一次作出了相关描述。目前尚不清楚他所制造的 显微镜的最高分辨率。第一部融合扫描和透射电镜技术的商用仪器是 Philips EM200， 其中配备了飞利浦电子仪器公司 (Philips Electronic Instruments) Ong Sing Poen 开发的 STEM 装置，并于 1969 年在美国市场正式推出。该仪器的分辨力达到 25 nm。配备 STEM 设施的现代 TEM 系统在调至 STEM 模式后，分辨率可达到 0.05 nm。
穿透
电子很容易被其他物质的作用下停止 运动或转向（电子约比最小的原子小 2000 倍）。这也是为什么显微镜内部 必须抽空气体以及样品（指透射显微 镜）必须极薄。通常，为进行电子显 微学研究，透射电子显微镜样品的厚 度不得超过数百纳米。不同的厚度提 供不同类型的信息。对于当今电子显 微学研究而言，越薄越好。而对于一 些特殊材料，使用现代制备技术可制 造出厚度仅为十分之几纳米的样品。 虽然厚度是首要考虑因素，但保护样 品主要性质且不改变其原子结构的制 备工作同样重要，这并非可以随意处 理的任务。
聚焦离子束及双束显微镜
聚焦离子束 (FIB) 显微镜与 SEM 极为相似，唯一的差别在于电子束被替换为离子束， 通常情况采用带正电的镓 (Ga+) 离子。FIB 可实现高分辨率成像（分辨率可达几纳 米），又由于离子质量远比电子质量大，因此 FIB 也可用于清除样品表面的材料， 当然这需要极为精密的控制。FIB 可与 SEM 共同结合于单部仪器中 (FIB/SEM)。在 FEI 出品的 DualBeam? FIB/SEM 显微镜内，电子和离子镜筒协同工作，使 SEM 能提供经 聚焦离子束磨光的表面的即时高分辨率图像。
纳米
随着距离越来越短，小数点后零的数 量越来越多，显微镜工作者使用纳米 （缩写为 nm）作为长度单位以方便使 用。一纳米等于十亿分之一 (10–9) 米。 中间单位是微米（缩写为 μm）， 等于百万分之一 (10-6) 米或 1000 nm。 一些文献采用单位埃（?ngstr?m, 缩写 为 ?），其相当于 0.1 nm，另外，可 能使用 micron 表示微米。一皮米等于 一万亿分之一 (10-12) 米。
硅基白金纳米棒。

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介绍
分辨率和放大倍数
显微镜的分辨率决定其最大有效放大 倍数。例如，如果显微镜的分辨率达 到 200 nm （光学显微镜的典型分辨 率），这意味着将图像放大 1000 倍， 然后人们就可以看清所有可用的信 息。基于此放大倍数，光学系统可将 物体的极细微特征 (200 nm) 转换为足 以让纯粹肉眼看清的图像 (0.2 mm)。 更大的放大倍数可进一步放大图像， 但同时图像变得更模糊，因而无法揭 示更细微的特征。 超过最大可用放大倍数的放大倍数有 时被称为“无意义的分辨率”。 尽管 存在最大有效分辨率的限制，但出于 实用或审美原因，使用更高的放大倍 数仍然可带来便利。比如商用仪器常 令放大倍数远超其分辨率指示的最大 有效放大倍数。本文强调分辨率才是 仪器成像能力的首要度量，并仅在提 供各种电子显微学技术的相对级别时 才会论及放大倍数。当必须更严格地 使用放大倍数时，我们会明确引述以 上观点。 此外，描述图像时经常会引用放大倍 数，因为这有助迅速了解样品特征已 被放大多少倍。但是，当图像作为报 告内容投影放大到大屏幕上，或者缩 小尺寸复制到印刷出版物中时，对原 始图像而言极为精准的放大倍数会变 得不再精确。鉴于此，现在如需通过 放大或缩小图像来满足各种用途时， 大多数显微镜通常会提供针对特定长 度的参考缩放标记，以指明其精确缩 放范围。
ant
10-2 (1 cm)
plant cell
Antony van Leeuwenhoek 1632-1723 10-3 (1 mm)
animal cell
10-5 (10 μm)
Robert Hooke 1635-1703
yeast
10-6 (1 μm) Ernst Abe 1840-1905
virus
10-8 (10 nm) Ernst Ruska 1906-1988
protein complex
10-10 (0.1 nm)
图3 分辨率尺度。

透射电子显微镜
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透射电子显微镜
透射电子显微镜由四大主要组件构成：电子光学镜筒、真空系统、必需电子 元件（用于使电子束聚焦并偏向的透镜组，用于产生电子源的高压发电机） 和控制软件。现代透射电子显微镜通常由操作控制台和控制面板构成，操作 控制台位于垂直镜筒之上并且内含真空系统，控制面板安装在便于操作员使 用的地方。显微镜应完全密封，以减少环境干扰。显微镜还可远程操作，操 作员无需进入仪器环境，这对操作员和仪器均有益处。
电子镜筒的基本工作原理类似于光学显微镜。只是光学显微镜的光源被置于电子 镜筒内部的电子枪取代，玻璃透镜被电磁透镜取代。与玻璃透镜不同，更改穿过 透镜线圈的电流即可改变磁透镜的放大倍数（焦距）。（注：在光学显微镜内， 可通过更换透镜或机械移动透镜改变放大倍数）。此外，目镜则被荧光屏和/或数 码相机取代。电子束从电子枪（通常位于镜筒顶部）发出，穿过聚光镜后聚集成 几乎平行的电子束直奔样品。样品必须足够薄，以便电子透射而过，通常为 0.5 μm，甚至更薄。高能电子（即更高加速电压加速的电子）可穿透更厚的样品。 穿过样品之后，物镜会收集并聚焦透射电子，而投影镜头会将样品的实际放大图 像投影到镜筒底部的观察设备上。从电子枪到相机的整个电子路径必须处于真空 条件下（否则电子会与空气分子碰撞，以致被击散或被吸收）。
Al-Cu-Li-Mg-Ag 航空航天合金纳米尺度沉淀物的 STEM 原子级分辨率图像。
现代透射电子显微镜 Titan? 80-300。

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透射电子显微镜
电子枪
电子显微镜使用三种主要电子源类型：钨电子枪、六硼化镧电 子枪 (LaB6，通常也称为“lab 6”) 和场发射电子枪 (FEG)。可结 合不同成本和效益状况对各电子源类型加以选择。选择何种电 子源类型是仪器选择环节中的重要组成部分。或许电子源最重 要的一个特性是亮度，亮度描述了电子束的电子电流密度和电 流发射角度（电流密度根据立体角（球面度）确定），并在很 大程度上决定成像系统的分辨率、衬度和信噪比。场发射电子 枪的亮度比钨发射器的高 1000 倍，但也昂贵得多。在某些高 电流应用情况下，LaB6 或钨电子枪实际上性能可能优于场发射 电子枪。 钨电子枪由灯丝、Wehnelt 圆柱电极和阳极构成。此三者共同 构成三极电子枪，这是非常稳定的电子源。钨灯丝呈发夹状， 可加热至约 2700°C。通过在灯丝和阳极之间应用高正电位差， 可从灯丝附近的电子云内引出热激发电子，然后向着阳极加速 运动。阳极中有一孔洞，这使运动速度超过每秒 2000 公里的 电子形成电子束并被引至下方的电子镜筒中。Wehnelt 圆柱电 极的电位可变，但始终比灯丝处电位略低一点（即负值）。其 引导电子通过狭窄的交叉区域，以便提高电流密度和电子束亮
electron source TEM
度（图4).钨电子源最便宜，但亮度较低，并且使用寿命有限。 钨电子源的亮度可以提升，但代价是使用寿命的缩短。由于发 射区域面积较大，钨源可产生极高的总电子束电流。 与钨灯丝类似，LaB6 枪取决于加热的电子源六硼化镧晶体产生 的热发射电子。LaB6 电子源的亮度可达钨电子源的 10 倍以上， 并且拥有长得多的使用寿命，但要求更高的真空度，因此增加 了显微镜的应用成本。LaB6 的发射区域小于钨，因此虽然提高 了亮度，但降低了总电子束电流。
condenser system
specimen (thin) objective lens
内充富勒烯的单壁碳纳米管
projector lens
现代透射电子显微镜镜筒（横截面）

透射电子显微镜
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场发射枪的原理是利用超高强度电场将电子从非常尖锐的钨针端部引出。场 发射枪是最昂贵的电子源类型，总体来看，其具有分辨率最高的成像性能和 分析性能。但以相衬度作为成像基础的高分辨率透射电子显微镜要求场发射 源具备极高的空间相干性。这些电子源如果亮度越高，电流密度越高，则可 生成更小的电子束、更高的电流、更清晰的空间分辨率以及更快、更精确的 X 射线分析。 场发射源分为两种类型：冷场发射和Schottky（热辅助）场发射冷场发射可实 现极高的亮度，但电子束电流不稳定。此外，它还需要频繁冲洗以清除尖端 的污染物。Schottky 场发射可提供较高的亮度、较高且稳定的电流并且无需 冲洗。最新一代的 Schottky场发射器 (FEI XFEG) 不仅可以保持电流稳定，还可 达到近似冷场发射的亮度。 依据经验法则，在透射电子显微镜模式下，如果应用中要求的成像放大倍数 最多为 4-5 万倍，则一般来说，钨电子源不仅适合，而且是应用的最佳电子 源。当透射电子显微镜的成像放大倍数介于 5-10万倍之间时，则利用 LaB6 电 子源可在荧光屏上生成最亮的图像。如果要求放大倍数高于 10 万倍，则场发 射源可提供更优质的信号。就分析或扫描技术等小型调查实验而言，场发射 枪始终是首选。
电子速度
加速电压越高，电子速度越快。80 kV 电 子的速度可达 150,000 千米/秒 (1.5 x 108 m/s)，达光速的一半。300 kV 电子的速度 可达至 230,000 千米/秒 (2.3 x 108 m/s)，超 过光速的四分之三。量子物理学的波粒 二像性理论断言，所有物质均具有波和 粒子两种属性。电子的波长 λ 等于
h 为普朗克常量， p 为电子的相对动量。 知道电子静质量 m0及其电量 e，即可根 据电位 U 算出电子速度 v，即
此速度下的波长等于
又由于电子速度接近光速 c，因此须作相 对论校正，于是得
HIV 病毒出芽过程电子断 层摄影图。
10 kV 扫描电子显微镜内电子波长为 12.3 x 10-12 m (12.3 pm)，而 200 kV 透射电子显微 镜内电子波长为 2.5 pm。
6000 万电子
?lament source
电子密度
电子束的电流一般约为 10 皮安 (1 pA = 10–12 A)。一安培等于 1 库仑/秒。电子的电荷为 1.6 x 10–19 库仑。因此，每秒约有 6000 万 电子撞击样品。但是，由于高速运动 （200,000 千米/秒），电子间平均距离超 过 3 米。大多数电子可一次穿过样品。
?lament
Wehnelt cylinder high voltage generator electron beam anode
图4电子显微镜内电子枪原理图（横截面）

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透射电子显微镜
电子轰击样品会出现什么状况？
与预料的不同，只要电子束条件受到谨慎控制，大多数样品不 会因电子轰击受到不利影响。当电子撞击样品时，可造成以下 任意一种结果：
? 一些电子被吸收，吸收率因样品的厚度和成分而异，这会导致所 谓的图像振幅（或称质量厚度）衬度。 ? 其他电子会发生小角度散射，此由样品的成分和结构决定，这会 导致所谓的图像相衬度。 ? 在晶体样品内，电子会发生方向截然不同的散射，此与晶体结构 有关，这会导致所谓的图像衍射衬度。 ? 一些撞击样品的电子会大角度转向，或者被样品的原子核反射 （背散射）。 ? 撞击样品的电子还会将样品自身的电子撞离样品的原子，这些被 撞离的电子就形成了低能量的二级电子。 ? 撞击样品的电子可能会导致样品原子发出 X 射线，这些射线的 能量和波长与样品的化学元素组成密切相关，因此被称作特征 X 射线。 ? 撞击样品的电子会导致样品发出可见光光子（或可见光），这个 现象称为阴极发光。 ? 最后，能量损失谱仪依据电子与样品相互作用时损失的能量值对 透射束电子进行计算和分类。能量损失可反映样品原子元素类 型、化学和电子状态方面的信息。
如果样品是晶体，衍射图样会在物镜下方被称为后焦面的位置 上形成。通过更改物镜正下方透镜的放大倍数，可以放大衍射 图案并将其投影到观察设备上。物镜下方是几片投影透镜，用 于聚焦、放大并将图像或衍射图样投影到观察设备上。为保证 高稳定性并实现尽可能最高的透镜放大倍数，现代透射电子显 微镜的透镜通常采用水冷方式。 电子束在从电子源到观察设备的路径上会穿过一系列不同直径 的孔径。这些孔径会阻止对成像无作用的电子（例如散射的电 子）。使用特殊的支架承载多个不同尺寸的孔径，而聚光镜、 物镜和衍射透镜的孔径直径可根据要求变更。
像差校正型透射电子显微镜
新近开发的商用像差校正型专用透射电子显微镜已使 TEM 和 STEM 性能大幅提升。如未经校正，则透射电子显微镜分辨率 主要受到球差的限制，因为球差可导致物体某点的信息散布至 图像的某个区域。这不仅导致图像模糊，还会造成所谓离域现 象，即周期性结构看起来超出了其实际物理边界。在光学显微 镜内，通过综合利用具有反向球差的透镜元件可最大程度地降 低球差。但此方法不可用于电子显微镜，因为电子显微镜使用 的环形磁透镜仅会导致正球差。Otto Scherzer在 1947 年描述了 多极校正元件（带有必需的负像差），但要成功满足其商业应 用要求还须解决许多实践上的问题。一些解决方案相对简单，
在标准透射电子显微镜内，质量厚度是非晶体（如生物性材 料）样品的主要成像衬度机制，而相衬度和衍射衬度是晶体样 品（大多数非生物材料）图像形成所需的最重要因素。
电磁透镜
图5 显示的是电磁透镜的横截面。当电流通过线圈 (C) 时，在 磁电路中形成间隙地磁极片 (P) 之间会生成电磁场。只要改变 线圈电流，则磁场强度就会改变，进而透镜的放大倍数也会随 之改变。这是磁透镜和玻璃透镜之间的本质区别。除此以外， 它们具有类似的特性，并会出现相同类型的像差（图6): 球差 (符号为 Cs，源于透镜中心与边缘的放大倍数不同)、色差 (符 号为 Cc，源于透镜的放大倍数随着束内电子能量的变化而变 化) 以及像散（样品内的圆形物体在图像中变成椭圆形）。 在传统的透射电子显微镜内，球差是图像分辨率提高的主要限 制，这在很大程度上取决于透镜的设计和制造。尽可能维持加 速电压的稳定性、使用超薄样品均可减弱色差；可变的电磁补 偿线圈可用于校正像散。 聚光镜系统将电子束尽可能地聚焦至研究样品上，以满足应用 所需。物镜生成样品图像，然后借助其他成像透镜放大，并投 影到观察设备上。 图5 电磁透镜的横截面。C 为电子线圈，P 为软铁磁极片。
电子轨迹从上到下。
C C P P P P C C
electron beam

透射电子显微镜
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例如增大电子镜筒的直径来实现机械稳定性，以便能实际看到 光学性能提升的好处；其他的则非常复杂，例如设计非常稳定 的电源并开发足以通过独立激发多极元件可靠测量并校正像差 的先进方法和软件控制系统。 校正球差的能力可减弱或校正色差效应，这是提高透射电子显 微镜性能面对的下一个主要挑战。色差校正器已成功整合至 Titan? TEM 平台，但其设计和操作远比球差校正器复杂。与此 同时，在降低电子穿过透镜时的能散度方面则已取得了长足进 展，能散度决定了色差不良效应的程度。电子能量变化可能源 于电子枪生成电子束之时，或者可能由透射电子与样品原子间 的相互作用引发。解决电子束能散的方法包括：设计极其稳定 的高电压和透镜电流电源，使用经特别优化的场发射电子源， 也可使用单色光镜将穿过的电子束限制在很窄的能带内。通过 使用先进的样品制备技术最大程度地降低厚度，可减少穿透样 品的透射电子的能散。
ds = 1/2 Cs
3
dc = Cc ( E/E0)
图6 透镜像差 Cs（左）和 Cc（右）。
300 kV 且 Si<110> 颗粒界线相同条件下经过（下）和未经过（上） Cs校正的 HR-TEM 对比。
图像分辨率和信息限制
在开发出球差校正器之前，科学家已知道，透射电子显微镜提 供的的样品信息能比直接在图像上观察到的具有更高空间分辨 率。可直接观察到的分辨率称为点分辨率，受到透镜球差的限 制。但是，通过适当结合“离焦系列”（获得的大量散焦值） 中大量图像的数据，可以重构更高分辨率的模型图像。仪器能 传达的最高分辨率信息称为其信息极限。借助球差校正器，点 分辨率可达到信息极限，而在大多数实际应用中，成像效果将 无显著差别。
莫尔条纹图像，取自球差 校正型显微镜 Tecnai? F20 生成的透射电子显微镜原 始图像。

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透射电子显微镜
观察并记录图像
最初，透射电子显微镜使用荧光屏来成像，当其受到透射电子撞击时会发出光线， 可用于实时成像和调节，同时采用胶片相机永久记录下高分辨率图像（电子对于摄 像材料的影响与光线相同）。荧光屏位于真空投影室内，但必要时可使用双筒放大 镜通过特定窗口进行观察。荧光屏应便于使图像投影到下方的胶片上。现代透射电 镜则主要借助固体成像设备，如 CCD（电荷耦合器件）相机。它们可能还是用到了 荧光屏，但荧光屏可通过相机观察到。在本文中，除非我们讨论成像系统的特定方 面，否则我们仅涉及成像设备。 最新推出的直接电子探测器大幅提升了图像分辨率和衬度，而在信号受限的应用中 效果尤为明显。传统的 CCD 相机利用图像探测器元件上方的闪烁材料将入射电子转 化为光线，随后光线在下方的 CCD 元件中产生电荷。闪烁体会导致分辨率下降，而 光电转化过程会降低电子生成图像衬度的效率。如果某项应用对电子束造成的损害 比较敏感（如低温制备的精致生物材料），则这点非常重要。因为对于这种情形， 能在样品损毁前从微弱而夹杂噪声的信号中提取最大量的信息至关重要。用直接电 子探测器取代闪烁体可使图像分辨率和探测器效率最高增加到原先的三倍。

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真空
电子仅当处于真空条件下操控时方具有类似光线的行为。正如上文所述， 从电子源到荧光屏的整个电子镜筒（包括相机）已被抽成真空。在镜筒内 采用不同真空级别是必要的：样品周围和电子源内的真空级别最高，投影 室和相机室的真空级别较低。使用不同的真空泵实现并维持不同真空级 别。场发射电子枪的真空级别可能高达（即气体压强低至）10-8 Pa。 为避免在每次更换样品、摄像材料或灯丝时都必须排空整个电子镜筒，仪 器内置了众多气闸和分隔阀。现代透射电子显微镜的真空系统是全自动化 的，真空级别受到持续监控和完全保护，可防止错误操作。
着色电子
我们看到的是一个色彩绚烂的世界。我 们能看到的颜色，是因为我们眼睛有区 别不同光线波长的能力。但是，大多数 电子探测器呈现为黑白图像，更准确地 说，是灰色调图像。我们在本出版物和 其他媒体中看到的炫丽多彩图像是电子 显微镜生成的吗？大多数情况下是在成 像后添加颜色，这纯粹出于审美原因。 但也有例外。能量过滤式透射电子显微 镜 (EFTEM) 可选择生成在穿过样品期间出 现特定级别能量损失的电子的图像。由 于能量等同于波长，所以通常由不同能 量损失设置下形成的多个图像合成的彩 色 EFTEM 图像或许就是最佳彩色电子图 像。但 EFTEM 图像仍是假的彩色图像， 因为能量损失和颜色之间的对应关系是 图像创建者的主观臆想。颜色还可用于 增强 X 射线图谱效果，此时可为每种元 素指定一种颜色，以显示其在样品内的 分布。
环境透射电子显微镜
环境透射电子显微镜 (ETEM) 采用设计特殊的真空系统，以便研究人员能在 更接近“自然”环境的各种条件下观察样品，试件室的气压可高达百分之 几个大气压。这对于观察样品和环境之间的相互作用很重要，例如气态反 应环境中固体催化剂颗粒的反应。ETEM 利用限压孔径光阑和差动真空抽气 技术使样品附近的真空级别较低，同时维持电子镜筒其他区域较高级别的 真空条件。由于透射电子显微镜试件室的尺寸高度受限于透镜的设计要 求，即指样品实际位于物镜内。像差校正器的开发使部分尺寸限制放宽， 同时提高灵活性，可使 ETEM 配备更大、更复杂的实验仪器。
真空
正常的大气压约为 760 毫米汞柱。这意 味着大气压足以支承 760 毫米高的汞 柱。物理学家使用帕斯卡 (Pa) 作为压强 国际制 (SI) 单位，但是显微学家往往使用 torr（毫米汞柱）和 mbar（毫巴）作为压 强单位。标准大气压等于 = 1 bar = 1000 mbar = 100 000 Pa = 760 torr = 760 毫米汞 柱电子显微镜内典型残余气压为 2.5 x 10–5 Pa。在此压强下，每升的气体分子数量 约为 7 x 1012，电子横穿镜筒期间撞击气体 分子的机会几乎为零。
金属催化剂颗粒多壁碳纳米管的生长。

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电子元件
为使现代透射电子显微镜具备极高分辨率，加速电压和通过透镜的电流必须极为稳定。电力供应箱内含多 个电源，针对特定目的输出的电压或电流的偏差幅度不超过千万分之一，这么高的稳定性要求非常尖端的 电子电路。 优化的电子光学设计令众多越来越复杂的电子光学技术成为可能，这反过来又导致如下要求：简化仪器操 作，让更多用户只须接受较少专业培训即能高效生成数据。通用数字电子技术和微处理器相关技术在此方 面可发挥重要作用。现代电子显微镜采用高速运算且功能强大的电脑控制、监控和记录显微镜的操作状 况。相比于早期型号，现代显微镜的控制旋钮数量大幅减少，更易于使用，而在多个附件需要同步优化时 优势尤为明显。此外，现代仪器还允许嵌入特殊的技术和实验装置，以便操作员可用相同的控制系统来执 行。电脑可连接到网络，以自动备份和共享数据。
样品取向和操纵
透射电镜的样品台必须能作出多种移动动作，以操纵和定向样品。X、Y 和 Z 轴的平移和倾斜用于将样品 的适当区域移至显微镜的观察区域。第二轴的倾斜必须保证晶体样品能相对于电子束精确取向，以便沿特 定结晶方向或晶界进行衍射研究和分析。专用样品台还可用于加热、冷却和拉紧显微镜实验样品。 安装在极为靠近物镜处的测角仪可提供基本移动动作。而样品通常位于两磁极之间的物镜区域，因为此处 透镜像差最小且分辨率最高。测角仪提供单轴电动式 X、Y 和 Z 轴平移和倾斜。样品置于杆形样品架（通 常称样品杆）附近，然后其通过气闸被置入测角仪。样品杆使用不同目的所需的特定支架实现额外轴倾 斜、旋转、加热、冷却或拉紧。
氧化铝薄膜孔隙内生成的二氧化硅。

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样品制备
任何旨在原子尺度上研究样品内部结构的科学和技术分支均可使用透射电子显微 镜。样品必须稳固且尺寸足够小（直径约 3 毫米），以便置入抽空的显微镜镜筒， 且必须薄到足以让电子透射过去。不用的应用需要不同的厚度。对于要求极高分辨 的材料研究，样品厚度不得超过 20 nm；对于生物研究，样品薄膜厚度可为 300-500 nm。 各分支的研究均采用特定的方法制备电子显微镜所需的样品。例如，在生物学研究 中，首先必须进行化学处理，除去水分并尽可能保持组织的原初状态，随后植入硬 化树脂。待树脂硬化后，使用装配玻璃或钻石刀的超薄切片机切割平均厚度为 0.5 μm 的切片（剖面）。微小剖面放置在样品载体上，其通常是直径 3 mm 的铜质样品 方格，并且表面涂有厚度为 0.1 μm 的无定形碳膜。
衍射
如果波穿越的周期性结构的周期与此波波长数量级相同，则穿过去的波会 发生干涉，导致生成超越物体的图样。当海浪经过整齐的标杆线或者透过 伞的面料观看街灯时，也会观察到相同现象。街灯此时显示为矩形光点图 样。图样中心最亮，越靠边光线越弱。这是由伞面料导致的光线衍射造成 的，图样的尺寸和形状可提供结构信息（编织的紧密度和方向）。晶体导 致电子衍射的方式与可见光完全相同，因此显微镜荧光屏光点图样也可提 供晶格信息（晶格平面的形状、方向和间距）。
钻石的大角度收敛射束电子衍射 (LACBED) 图样。

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透射电子显微镜
低温（冷冻）技术可避免传统干燥、固定和切片制备工艺造成 的样品损坏。然而，虽然传统冷冻技术可避免引入外部物质， 但是也会因为冰晶的形成而破坏精致的生物结构，进而损坏样 品。玻璃化是一种快速冷冻工艺，该工艺使水分子在冷冻时来 不及结晶，而只是形成对样品结构几乎没有破坏的玻璃质（非 晶态）固体。低温玻璃化样品也可减少观察期间因射束电子造 成的样品损坏，使样品可以更多地或更长时间暴露在更高射束 电流下，有利于生成更优质的图像。 冷冻透射电子显微镜可使生物分子在其天然生物环境中接受检 测，这样即可将这些分子与其他有助了解其结构和功能的关键 分子联系起来。此外，玻璃化样品（更准确地说应是迅速冷冻 样品）让研究人员可以研究随时间而变的现象，例如柔性蛋白 质的结构动态或蛋白质复合物的聚集和解离。通过度量一组反 映各瞬间分子形状的图像的变化，科学家可计算移动范围和作 用于柔性蛋白质内部的分子力。同样，类似的一组图像可能形 成蛋白质复合物装配过程的冻结图像序列，或可反映抗原结合 期间的构象变化。自动玻璃化工具 (Vitrobot?) 可精确控制该过 程，确保取得可靠且可重复的结果。
在冶金学中，直径 3 mm 的材料盘（厚度约为 0.3 mm）经过化 学处理，以确保材料盘中心被完全蚀空。而该孔周围则通常是 足以让电子穿过的薄 (约 0.1 μm) 区域。对于在像差校正系统中 进行的研究，厚度不得超过几十纳米。 使用聚焦离子束磨光并磨薄块状样品的剖面越来越重要，特别 是在要求样品位置必须精确定位的半导体和其他纳米科学应用 领域中。详见本手册后述聚焦离子束 (FIB) 样品制备部分。
vitrobot
应用领域的专家正在制备含有液氮的冷却容器并将样品置于格栅上。