作為材料研究人員，最關(guān)心的問題之一就是材料性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。透射電子顯微鏡自上個(gè)世紀(jì)三十年代發(fā)明以來，就一直為材料的結(jié)構(gòu)和成分表證提供強(qiáng)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(shí)。
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(hào)，但基本上都是由電子光學(xué)系統(tǒng)（又稱鏡筒）、真空系統(tǒng)和供電系統(tǒng)三大部分組成。其中鏡筒是主體部分，其內(nèi)部分電子光學(xué)系統(tǒng)自上而下又分別排列著照明系統(tǒng)（電子槍、聚光鏡）、試樣室、成像系統(tǒng)（物鏡、中間鏡、投影鏡）和圖像觀察與紀(jì)錄系統(tǒng)（熒光屏、照相機(jī)和數(shù)據(jù)顯示器等），如圖一所示。
圖一 透射電子顯微鏡的剖面結(jié)構(gòu)
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(wěn)定的照明源，通過聚光鏡的控制可以實(shí)現(xiàn)從平行照明到大會(huì)聚角的照明條件。為滿足中心暗場成像的需要，照明電子束可在2°至3°范圍內(nèi)傾斜。然后電子束會(huì)穿透試樣室內(nèi)的有一定厚度的樣品，便產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，除零級衍射束外，還有各級衍射束，經(jīng)過透鏡的聚焦作用，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，通過觀察窗，我們就能觀察到熒光屏上呈現(xiàn)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(biāo)，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，一類是因透鏡磁場的幾何缺陷產(chǎn)生的，叫做幾何像差，它包括球面像差(球差)、像散等；另一類是由電子的波長或能量非單一性引起的色差。像散是由于透鏡的磁場非旋轉(zhuǎn)對稱引起的一種缺陷，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)引起透鏡磁場的非旋轉(zhuǎn)對稱，對電子顯微鏡獲得高分辨本領(lǐng)有嚴(yán)重影響，但它能通過消像散器有效地加以補(bǔ)償矯正；照明電子束波長和透鏡電流的波動(dòng)所引起的色差已由供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性所解決；球差至今無法通過某種方法得到有效的補(bǔ)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(jù)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(dāng)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看，樣品的厚度較大時(shí)，往往會(huì)使膜內(nèi)不同深度層上的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)彼此重疊而互相干擾，得到的圖像過于復(fù)雜，以至于難以進(jìn)行分析。如果樣品太薄則表面效應(yīng)將起著十分重要的作用，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(jù)不同研究目的，選用適當(dāng)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。常見的有表面復(fù)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(jī)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(qiáng)調(diào)幾點(diǎn)：
?。╝）薄膜樣品的組織結(jié)構(gòu)必須和大塊樣品相同，在制備過程中，這些組織結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。尤其是在機(jī)械研磨過程中，力應(yīng)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(yīng)有一定強(qiáng)度和剛度，在夾持和操作過程中，在一定的機(jī)械力作用下不會(huì)引起變形或損壞。
?。╟）在樣品制備過程中不允許表面產(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(hào)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(diào)節(jié)電子束平移至中心，再散開光斑，調(diào)節(jié)光闌旋鈕使之仍在中心，反復(fù)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(wěn)定之后，應(yīng)該進(jìn)行系統(tǒng)的合軸調(diào)整，一般情況下在alpha設(shè)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(nèi)部顯現(xiàn)出來的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)晶帶定律：hu+kv+lw=0，選取適當(dāng)?shù)牡椭笖?shù)晶帶軸[uvw]，可以保證衍射束數(shù)目(hkl)足夠多以及隨后投影內(nèi)勢函數(shù)計(jì)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(shù)晶帶軸附近的“雙光束條件”條件下拍攝，會(huì)讓位錯(cuò)等缺陷更清晰的顯現(xiàn)出來，以便進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。
圖五 軋制純鋁不同取向的晶粒內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)并不一樣
D.調(diào)焦：調(diào)整樣品高度，使圖像盡量清晰明銳，可以根據(jù)薄膜樣品邊緣出現(xiàn)的菲涅爾條紋（Fresnel fringes）的狀態(tài)來調(diào)節(jié)物鏡焦距旋鈕，如圖六所示。在欠焦?fàn)顟B(tài)下，孔洞邊緣的外側(cè)會(huì)出現(xiàn)呈白色的菲涅爾條紋（黃色箭頭處），正焦?fàn)顟B(tài)下邊緣平滑無菲涅爾條紋，而在過焦?fàn)顟B(tài)下菲涅爾條紋會(huì)在邊緣內(nèi)側(cè)（黃色箭頭處）。菲涅爾條紋會(huì)隨著欠焦或過焦程度的增大而變寬，因此往條紋變窄的方向調(diào)節(jié)就能達(dá)到正焦?fàn)顟B(tài)。另外，還可以通過樣品上顆粒的襯度進(jìn)行調(diào)節(jié)，正焦?fàn)顟B(tài)下的顆粒對比度最低，看起來最平滑。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?fàn)顟B(tài)的基礎(chǔ)上再欠焦一點(diǎn)點(diǎn)，以增強(qiáng)對比度，讓圖片看起來更清晰。
圖六 碳膜孔洞邊緣在（a）欠焦（b）正焦（c）過焦?fàn)顟B(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，如果觀察的是磁性材料會(huì)干擾物鏡磁場也需要消像散，對一般的材料來說，主要是在拍攝高分辨照片時(shí)才會(huì)對物鏡像散有嚴(yán)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(nèi)測而另一部分在外側(cè)，如圖七所示是有物鏡像散和無像散的對比。這時(shí)，可以先利用前面的方法將圖像調(diào)節(jié)到欠焦或者過焦，然后調(diào)節(jié)物鏡像散使菲涅爾條紋恢復(fù)均勻?qū)ΨQ，即可消除像散。
圖七 非晶碳膜孔洞在（A）欠焦（B）過焦（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(shù)），則最好需要在非晶區(qū)域進(jìn)行物鏡像散的調(diào)節(jié)。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(diào)節(jié)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，在正焦下看起來似乎什么都沒有，但欠焦和過焦圖像應(yīng)該很清楚，且過焦與欠焦的圖像只有襯度變化，麻點(diǎn)的形狀應(yīng)一致麻點(diǎn)，沒有方向性。這樣就表明調(diào)好了。也可以利用FFT（Fast Fourier Transformation）圖像來輔助調(diào)節(jié)，當(dāng)FFT 圖像為橢圓時(shí)表明有像散，調(diào)節(jié)至FFT 圖像為正圓，說明已調(diào)好。
一般來說，根據(jù)麻點(diǎn)對比度和FFT調(diào)節(jié)物鏡像散需要在100K倍以上才會(huì)有效，所以建議現(xiàn)在低倍下根據(jù)菲涅爾條紋調(diào)節(jié)，然后逐步升高倍數(shù)，這樣才能保證物鏡像散不會(huì)越調(diào)越偏。萬一真的不小心調(diào)得越來越偏，感覺自己越調(diào)越差回不去了，怎么辦？別急，可以在調(diào)節(jié)物鏡像散的模式下，點(diǎn)擊NTRL（復(fù)位）按鈕恢復(fù)到初始狀態(tài)。
圖八 碳膜非晶區(qū)在（A）無像散無漂移（B）有像散（C）嚴(yán)重像散（D）無像散有一點(diǎn)漂移（E）無像散有更大的漂移（F）無像散無漂移情況下的高分辨照片和對應(yīng)的FFT花樣
一般來說，經(jīng)過以上的逐步調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)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：拍照軟件的專用格式和TIFF。選擇軟件專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(chǔ)圖像細(xì)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(fù)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(shù)量不同，得到不同名稱的高分辨像。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(xiàng)十分細(xì)致費(fèi)時(shí)的工作，需要注意很多問題，比如：
?。ˋ）對含有非晶結(jié)構(gòu)的膜拍攝高分辨像，應(yīng)注意圖像中晶區(qū)和非晶區(qū)特別是界面處的細(xì)節(jié)；含有納米晶和非晶區(qū)的納米晶試樣，拍攝高分辨像會(huì)更容易一些。當(dāng)晶區(qū)和非晶區(qū)邊界細(xì)節(jié)模糊時(shí)，說明加速電壓和透射電流穩(wěn)定性或者工作環(huán)境穩(wěn)定性有問題。此外，非晶膜的傅里葉變換花樣和衍射花樣的質(zhì)量，可以用來判斷不穩(wěn)定的波數(shù)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時(shí)間推移會(huì)向著欠焦或者過焦的一側(cè)移動(dòng)的現(xiàn)象，如圖七中（D）（E）所示。
?。–）試樣漂移一般出現(xiàn)在試樣剛剛插入試樣臺(tái)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(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間有時(shí)甚至長達(dá)2~3min。
（D）確認(rèn)物鏡球差系數(shù)。一般可以依據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，正確操作，選定最佳聚焦量，從而達(dá)到最佳的分辨率水平。
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