作為材料研究人員，最關(guān)心的問(wèn)題之一就是材料性能與微觀(guān)結構之間的關(guān)系。透射電子顯微鏡自上個(gè)世紀三十年代發(fā)明以來(lái)，就一直為材料的結構和成分表證提供強有力的支持。為了更好的理解透射電鏡的操作和拍攝技巧，咱們先回顧一下電鏡的基本知識。
透射電鏡成像基本原理
透射電子顯微鏡（TEM），是一種以高能電子束為照明源，通過(guò)電磁透鏡將穿透樣品的電子（即透射電子）聚焦成像的電子光學(xué)儀器。世界上的透射電鏡有許許多多型號，但基本上都是由電子光學(xué)系統（又稱(chēng)鏡筒）、真空系統和供電系統三大部分組成。其中鏡筒是主體部分，其內部分電子光學(xué)系統自上而下又分別排列著(zhù)照明系統（電子槍、聚光鏡）、試樣室、成像系統（物鏡、中間鏡、投影鏡）和圖像觀(guān)察與紀錄系統（熒光屏、照相機和數據顯示器等），如圖一所示。
圖一 透射電子顯微鏡的剖面結構
透射電鏡工作時(shí)，電子槍會(huì )提供一束亮度高、相干性好以及束流穩定的照明源，通過(guò)聚光鏡的控制可以實(shí)現從平行照明到大會(huì )聚角的照明條件。為滿(mǎn)足中心暗場(chǎng)成像的需要，照明電子束可在2°至3°范圍內傾斜。然后電子束會(huì )穿透試樣室內的有一定厚度的樣品，便產(chǎn)生衍射現象，除零級衍射束外，還有各級衍射束，經(jīng)過(guò)透鏡的聚焦作用，在其后焦面上形成衍射振幅的極大值，每一個(gè)振幅的極大值又可看作次級相干源，由它們發(fā)出次級波在像平面上相干成像。通過(guò)物鏡、中間鏡和投影鏡的分級放大，最終投影到熒光屏上，通過(guò)觀(guān)察窗，我們就能觀(guān)察到熒光屏上呈現的電子顯微像和電子衍射花樣了。對于透射電鏡，改變中間鏡的電流，使中間鏡的物平面從一次像平面移向物鏡的后焦面，可得到衍射譜；反之，讓中間鏡的物平面從后焦面向下移到一次像平面，就可看到像，如圖二所示。這就是為什么透射電鏡既能看到衍射譜又能觀(guān)察像的原因。
圖二 TEM中成像(a)和成衍射譜(b)的光路圖
分辨率是透鏡最重要的性能指標，也是拍攝高質(zhì)量照片的關(guān)鍵因素。它是由透鏡像差和衍射誤差的綜合影響所決定的。電磁透鏡的像差分為兩類(lèi)，一類(lèi)是因透鏡磁場(chǎng)的幾何缺陷產(chǎn)生的，叫做幾何像差，它包括球面像差(球差)、像散等；另一類(lèi)是由電子的波長(cháng)或能量非單一性引起的色差。像散是由于透鏡的磁場(chǎng)非旋轉對稱(chēng)引起的一種缺陷，透鏡極靴圓孔有點(diǎn)橢圓度或者極靴孔邊緣的污染等都會(huì )引起透鏡磁場(chǎng)的非旋轉對稱(chēng)，對電子顯微鏡獲得高分辨本領(lǐng)有嚴重影響，但它能通過(guò)消像散器有效地加以補償矯正；照明電子束波長(cháng)和透鏡電流的波動(dòng)所引起的色差已由供電系統的穩定性所解決；球差至今無(wú)法通過(guò)某種方法得到有效的補償，以致球差便成為限制電磁透鏡分辨本領(lǐng)的主要因素。
樣品的要求和制備
根據透射電鏡的成像原理可知，電子束需要穿透試樣才能成像，這就要求被觀(guān)察的樣品對于入射電子束是“透明的”。電子束對薄膜樣品的穿透能力和加速電壓有關(guān)。當電子束的加速電壓為200kV時(shí)，就可以穿透厚度為500nm的鐵膜，如果加速電壓增至l000kV，則可以穿透厚度大致為1500nm的鐵膜。從圖像分析的角度來(lái)看，樣品的厚度較大時(shí)，往往會(huì )使膜內不同深度層上的結構細節彼此重疊而互相干擾，得到的圖像過(guò)于復雜，以至于難以進(jìn)行分析。如果樣品太薄則表面效應將起著(zhù)十分重要的作用，以至于造成薄膜樣品中相變和塑性變形的進(jìn)行方式有別于大塊樣品。因此，需要根據不同研究目的，選用適當厚度的樣品，對于一般的金屬樣品，適宜的厚度約為100-200nm。
經(jīng)過(guò)前輩們多年的智慧與努力，已經(jīng)有很多針對不同材料制備透射薄膜樣品的方法。常見(jiàn)的有表面復型技術(shù)、支持膜銅網(wǎng)制備粉末試樣、直接制備薄膜平面試樣（真空蒸發(fā)、磁控濺射等）、塊體材料制成薄膜試樣（機械研磨+電解拋光、凹坑研磨、離子減薄等）和近些年發(fā)展起來(lái)的聚焦離子束（FIB）方法。
好的樣品是拍攝高質(zhì)量透射照片的基本前提，所以這里還需要強調幾點(diǎn)：
?。╝）薄膜樣品的組織結構必須和大塊樣品相同，在制備過(guò)程中，這些組織結構不發(fā)生變化。尤其是在機械研磨過(guò)程中，力應該小一些，并需要用拋光或離子減薄消除表面硬化層。
?。╞）薄膜樣品應有一定強度和剛度，在夾持和操作過(guò)程中，在一定的機械力作用下不會(huì )引起變形或損壞。
?。╟）在樣品制備過(guò)程中不允許表面產(chǎn)生氧化和腐蝕，否則會(huì )使樣品的透明度下降，引入干擾信息。
基本操作及實(shí)例展示
世界上有不同型號和功能的透射電鏡，但是基本的操作流程都是差不多的，如圖三所示。
 圖三 透射電鏡拍攝操作基本流程
A.聚光鏡對中：一般的透射電鏡拍攝需要插入一級聚光鏡光闌，剛插入時(shí)電子束可能不在熒光屏中心，如圖四（a）；這時(shí)需要先會(huì )聚電子束于一點(diǎn)，調節電子束平移至中心，再散開(kāi)光斑，調節光闌旋鈕使之仍在中心，反復幾次后，電子束與熒光屏能同心收縮，如圖四（b）。
圖四 （a）聚光鏡光闌未對中的情況和（b）聚光鏡光闌對中完成的情況
B.合軸：在電鏡高壓穩定之后，應該進(jìn)行系統的合軸調整，一般情況下在alpha設為3時(shí)，平移電子束和電子槍位置，使spot size 1~5的電子束都能會(huì )聚在熒光屏中心。
C.選取合適的衍射條件：很多人在拍攝晶體樣品時(shí)，往往會(huì )忽略這一步，如圖五中，在不同的衍射條件下，晶粒內部顯現出來(lái)的微觀(guān)結構會(huì )發(fā)生變化。根據晶帶定律：hu+kv+lw=0，選取適當的低指數晶帶軸[uvw]，可以保證衍射束數目(hkl)足夠多以及隨后投影內勢函數計算有足夠的精度。由于透射電鏡的衍射襯度和晶體取向也有關(guān)，所以在低指數晶帶軸附近的“雙光束條件”條件下拍攝，會(huì )讓位錯等缺陷更清晰的顯現出來(lái)，以便進(jìn)行統計和分析。
圖五 軋制純鋁不同取向的晶粒內部微觀(guān)結構并不一樣
D.調焦：調整樣品高度，使圖像盡量清晰明銳，可以根據薄膜樣品邊緣出現的菲涅爾條紋（Fresnel fringes）的狀態(tài)來(lái)調節物鏡焦距旋鈕，如圖六所示。在欠焦狀態(tài)下，孔洞邊緣的外側會(huì )出現呈白色的菲涅爾條紋（黃色箭頭處），正焦狀態(tài)下邊緣平滑無(wú)菲涅爾條紋，而在過(guò)焦狀態(tài)下菲涅爾條紋會(huì )在邊緣內側（黃色箭頭處）。菲涅爾條紋會(huì )隨著(zhù)欠焦或過(guò)焦程度的增大而變寬，因此往條紋變窄的方向調節就能達到正焦狀態(tài)。另外，還可以通過(guò)樣品上顆粒的襯度進(jìn)行調節，正焦狀態(tài)下的顆粒對比度最低，看起來(lái)最平滑。值得注意的一點(diǎn)是，為了得到質(zhì)量更好的透射照片，往往會(huì )選擇在正焦狀態(tài)的基礎上再欠焦一點(diǎn)點(diǎn)，以增強對比度，讓圖片看起來(lái)更清晰。
圖六 碳膜孔洞邊緣在（a）欠焦（b）正焦（c）過(guò)焦狀態(tài)下的拍攝圖片
E.物鏡消像散：一般物鏡光闌尺寸和位置的微小變化會(huì )引起像散，如果觀(guān)察的是磁性材料會(huì )干擾物鏡磁場(chǎng)也需要消像散，對一般的材料來(lái)說(shuō)，主要是在拍攝高分辨照片時(shí)才會(huì )對物鏡像散有嚴格的要求。
低倍下，可以看出物鏡像散會(huì )使菲涅爾條紋發(fā)生扭曲，一部分在邊緣內測而另一部分在外側，如圖七所示是有物鏡像散和無(wú)像散的對比。這時(shí)，可以先利用前面的方法將圖像調節到欠焦或者過(guò)焦，然后調節物鏡像散使菲涅爾條紋恢復均勻對稱(chēng)，即可消除像散。
圖七 非晶碳膜孔洞在（A）欠焦（B）過(guò)焦（C）正焦（D）有物鏡像散的低倍透射照片
高分辨模式下（100K倍甚至更高倍數），則最好需要在非晶區域進(jìn)行物鏡像散的調節。如圖八所示，是不同條件下的非晶碳膜高分辨照片。需要先調節物鏡光闌的焦距，使圖像盡量清晰，對比度合適，然后進(jìn)行消像散，使圖一片均勻，在正焦下看起來(lái)似乎什么都沒(méi)有，但欠焦和過(guò)焦圖像應該很清楚，且過(guò)焦與欠焦的圖像只有襯度變化，麻點(diǎn)的形狀應一致麻點(diǎn)，沒(méi)有方向性。這樣就表明調好了。也可以利用FFT（Fast Fourier Transformation）圖像來(lái)輔助調節，當FFT 圖像為橢圓時(shí)表明有像散，調節至FFT 圖像為正圓，說(shuō)明已調好。
一般來(lái)說(shuō)，根據麻點(diǎn)對比度和FFT調節物鏡像散需要在100K倍以上才會(huì )有效，所以建議現在低倍下根據菲涅爾條紋調節，然后逐步升高倍數，這樣才能保證物鏡像散不會(huì )越調越偏。萬(wàn)一真的不小心調得越來(lái)越偏，感覺(jué)自己越調越差回不去了，怎么辦？別急，可以在調節物鏡像散的模式下，點(diǎn)擊NTRL（復位）按鈕恢復到初始狀態(tài)。
圖八 碳膜非晶區在（A）無(wú)像散無(wú)漂移（B）有像散（C）嚴重像散（D）無(wú)像散有一點(diǎn)漂移（E）無(wú)像散有更大的漂移（F）無(wú)像散無(wú)漂移情況下的高分辨照片和對應的FFT花樣
一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)以上的逐步調節，就可以順利的拍攝從低倍到高倍的各種透射照片了。剩下的就是調節拍照軟件上的對比度和曝光時(shí)間，就能得到比較高質(zhì)量的圖像了。另外還有個(gè)小建議，就是在保存圖片的時(shí)候最好存兩種格式：拍照軟件的專(zhuān)用格式和TIFF。選擇軟件專(zhuān)用格式是為了保存圖片的所有完整信息，以備日后重新檢查；TIFF相比較其他BMP、JPEG、PNG等格式而言，存儲圖像細微層次的信息更多，圖像的質(zhì)量也非常高，故而非常有利于原稿的復制。
高分辨拍攝要點(diǎn)
高分辨電子顯微像是讓物鏡后焦面的投射束河若干衍射通過(guò)物鏡光闌，由于他們的相位相干而形成的相位襯度顯微圖像。由于參加成像的衍射束數量不同，得到不同名稱(chēng)的高分辨像。如圖九中，固溶態(tài)Al-Si合金的二維晶格像，就是利用透射束加二維方向衍射束顯示出來(lái)的。
圖九 固溶態(tài)Al-Si合金的二維晶格像
高分辨電子顯微像的拍攝是一項十分細致費時(shí)的工作，需要注意很多問(wèn)題，比如：
?。ˋ）對含有非晶結構的膜拍攝高分辨像，應注意圖像中晶區和非晶區特別是界面處的細節；含有納米晶和非晶區的納米晶試樣，拍攝高分辨像會(huì )更容易一些。當晶區和非晶區邊界細節模糊時(shí)，說(shuō)明加速電壓和透射電流穩定性或者工作環(huán)境穩定性有問(wèn)題。此外，非晶膜的傅里葉變換花樣和衍射花樣的質(zhì)量，可以用來(lái)判斷不穩定的波數范圍。
?。˙）高分辨像的質(zhì)量和拍攝時(shí)的聚焦漂移與試樣漂移關(guān)系極大。聚焦漂移是指聚焦隨著(zhù)時(shí)間推移會(huì )向著(zhù)欠焦或者過(guò)焦的一側移動(dòng)的現象，如圖七中（D）（E）所示。
?。–）試樣漂移一般出現在試樣剛剛插入試樣臺的瞬間，以及剛加液氮也會(huì )產(chǎn)生影響，因此要測定上述兩種操作之后使試樣達到穩定的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間有時(shí)甚至長(cháng)達2~3min。
?。―）確認物鏡球差系數。一般可以依據廠(chǎng)家提供的數據，正確操作，選定最佳聚焦量，從而達到最佳的分辨率水平。
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