透射电子显微镜（TEM）

透射电子显微镜（TEM）

电子与固体的相互作用非常强，不能穿透厚固体。下图显示了电子吸收截面与电子能量的关系。电子通过在低能量范围（10-30 eV）激发等离子体最有效地失去能量，但由电子激发支配的截面随着电子动能的增加而减小，直到由于轫致辐射损失开始而增加。因此，如果样品厚度小于约1微米，能量高于约100 keV的电子可以穿透固体样品。TEM研究的一个关键问题是如何制备足够薄的样品以供观察。最常见的方法是使用化学蚀刻剂进行化学减薄，先进行机械减薄过程，但并非总能找到合适的蚀刻剂。然而，使用加速的Ga离子束进行溅射的离子铣削方法的出现，解决了样品制备中的常见困难，从而扩大了TEM可以研究的材料范围。

TEM相对于其他显微技术的一个重大优势是它能够非常容易地在成像模式和衍射模式之间切换，从而原位研究正在观察的特定样品区域的晶体学特性。下图展示了普通TEM在两种模式下的电子光学原理。基本上，在成像模式下，物镜成像平面上的实空间图像投影到荧光屏上，而在衍射模式下，在后焦平面上形成的衍射图案投影到屏幕上，只需改变中间电磁透镜的焦距。通常，对于样品不均匀性的观察，在形成衍射图案的后焦平面插入一个特定衍射（物镜）孔。要从样品的特定区域获得衍射图案，在物镜的图像平面插入选区衍射（SAD）孔。通常物镜孔只选择直射束，因此获得的图像通常看起来很亮（相对于由于吸收而变灰的背景），由于不均匀性而产生不同的对比度，因此称为亮场（BF）图像。有时，可以选择一个衍射束来使负责衍射的缺陷图像在黑暗背景下变亮，形成暗场（DF）图像。

在大多数情况下，TEM图像是晶体样品衍射的电子波的干涉图案。因此，除非仔细比较在各种衍射条件下获取的图像，否则无法正确解释TEM图像。尽管定量精确解释TEM图像需要动力学理论，但在许多常见情况下，在常规显微镜中遇到的图像可以在运动学理论框架内直观理解。然而，在某些重要情况下，必须考虑动力学效应或多重反射效应。如下图所示，一束以布拉格角θ_B入射到一组晶面上，反射产生一个衍射束，该衍射束可能再次被同一晶面的反面反射回主束方向。如果晶体较厚，这个过程重复进行，电子能量在主束和衍射束之间周期性交换。当只有一个衍射g被激发时，详细分析表明，厚度为t的样品发出的主波和衍射波的强度分别为：

其中，ξg称为消光距离，定义为：

参数seff定义为：

其中，s表示在倒易空间中偏离布拉格条件的偏差。下图示意了两种强度随楔形样品厚度变化的情况。当|ξg|−1远大于|s|时（图a）或t远小于ξg时，我们可以应用运动学理论，其中厚度依赖性由s决定。另一方面，当|ξg|−1远小于|s| ≈ 0（图b）或t > ξg时，传输强度必须通过动力学理论严格处理，其中seff趋近于ξ−1g，两束波以ξg而非s−1为周期交替交换强度。应该注意的是，整个样品中I₀ + I_g = 1。由于其类似于两个耦合摆的行为，这种导致厚度条纹的效应被称为Pendellösung效应，它构成了TEM和X射线拓扑图中相似条纹对比的基础。在不完美的晶体中，由于缺陷的存在引入了额外的相位偏移，这一论点被修改。

Pendellösung效应体现了在布拉格衍射K = g处区边界的两个色散分支的存在。它可以看作是两个分支上布洛赫波之间拍频的结果。它们在不同的柱位置上具有不同的振幅，如下图所示：波（a）的振幅在原子柱之间，而波（b）的振幅沿着柱。由于波与原子的相互作用在（a）中较弱，但在（b）中较强，因此波（a）和（b）分别被晶体较少和较多地吸收。这导致了电子衍射中的异常吸收效应（Kikuchi图案）或电子通道中的异常传输效应以及X射线的Borrmann效应 。

在能量约为100 keV的TEM电子衍射中，Ewald球相对于倒易晶格参数较大。由于样品厚度较小，倒易晶格点在样品表面法线方向上被拉伸。因此，如果厚度小于约100纳米，电子衍射实际上发生在许多g向量中，如下图所示。这使得通过收集许多衍射束（包括包含样品中小尺度结构信息的大|g|值的衍射束）形成图像成为可能。

这是高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）的基础，由于物镜球差改进的技术进步，现在是现代TEM显微镜的标准配置。在称为Scherzer离焦的特殊离焦条件下，HRTEM图像大致代表沿电子束方向观察的原子排布，如下图所示。HRTEM图像对离焦条件、样品厚度和对象在薄膜中的深度非常敏感。只有通过仔细比较在Scherzer离焦以外的各种离焦条件下拍摄的实验图像和使用动力学理论为模型结构模拟的理论图像，才能推断出真正的原子排列。HRTEM的常规分辨率（点分辨率）约为0.2纳米 。