透射電子顯微鏡的發展趨勢

趙云龍

遼寧裝備制造職業技術學院 （沈陽 110161）

透射電鏡分辨率高，是當今材料研究表征工具之一。因其能夠同時獲得樣品形貌、化學成分、晶體學和微觀結構等全方位信息，使其在材料研究領域的地位越來越穩固。特別是在微觀顆粒材料、材料缺陷表證和實驗驗證中的應用尤為重要。帶有各種分析功能的透射電子顯微鏡，更是受到材料學家的青睞。高角度環形暗場成像功能使透射電子顯微鏡應用更加廣泛，不但可以對納米顆粒材料形貌觀測，粒度測量,成分分析,還可以進行原子尺度的元素分布分析。其獲得的高分辨像（STEM）可以直接用于解釋，所以在微觀結構確定方面較傳統的高分辨像（HRTEM）更具優勢。

1 透射電鏡具有以下優勢：

(1)相對于XRD衍射來說，電子衍射的散射能力遠遠大于X射線的散射能力，這為微小晶體結構的分析測試提供了有力的研究工具；

(2)透射電鏡可以同時獲得研究對象外形特征、原子排列信息、成分信息和晶體學結構信息最有效方法；

(3)利用會聚束電子衍射，可以獲得樣品的三維衍射信息，便于分析物相的點群、空間群的對稱性；

(4)分辨率高。目前非球差矯正的HRTEM分辨率一般優于0.2 nm；STEM模式下可達0.17 nm，且可以對原子序數大于13的原子直接成像；

(5)可以獲得缺陷區域或納米析出相原子排列的投影像；

(6)分析結果的數字化。采用新型CCD相機，其分辨率可達4008×2672，不但可以拍攝形貌像，也可以拍攝電子衍射；便于存儲和分析。

2 透射電鏡的發展趨勢

隨著科技的發展、網絡的興起，許多新技術漸漸應用到了透射電鏡上，透射電鏡的發展方向呈現出以下趨勢：

2.1 中等電壓超高分辨率電鏡

具有肖特基場發射槍具有亮度高（比鎢絲槍高三個量級）、交叉斑小（直徑為0.01～0.02 nm）、電子能量分散小及相干性好等優點，正日益受到重視。對透射電鏡開展微區衍射和微區分析十分有利，它的高相干性為電子顯微學開展全息術提供了廣闊的前景。

提高分辨本領常見的方法是改進儀器性能降低物鏡的球差、提高物鏡電流和高壓的穩定度以減小色差。提高加速電壓，減小電子波長等均是提高分辨本領的有效途徑。由于這些措施可能在超高壓電鏡中實施，因此，曾對超高壓電鏡寄以厚望。但是，因為技術上難度大，尤其是建造費用昂貴，使其進展艱難。而且實際分辨本領的提高進展緩慢。目前常采用折衷的辦法是在200～300 kV的中等電壓的電鏡上加裝單色器降低色差；加裝球差矯正器減小球差系數。知名公司FEI和日本電子，先后推出了加裝單色器和球差矯正器的電鏡Titan 80-300和ARM 200型電鏡。

2.2 分析型電鏡

2.2.1 成分分析

電子顯微鏡把人們的視野引入了千變萬化的微觀世界，使我們能在原子量級上來研究物質的微觀結構。透射模式使我們得到了物體的形貌、衍射模式可以分析物體的表面結構。

與利用XRD方法進行物相鑒定相比，透射電子顯微鏡的優勢在于，進行物相鑒定時可以將物相的形貌信息、晶體學結構信息、組成元素信息以及微觀結構信息等聯系起來。這些操作只需要透射電鏡安裝了X射線能譜儀。

電子能量損失譜儀（electron energy loss spectrometer,EELS）是基于入射電子與樣品相互作用時，組成元素的原子內殼層電子受到入射高能電子碰撞而激發產生電離。這時入射電子損失的一部分能量△E直接與試樣的化學成分、樣品厚度以及散射機制直接相關，因而可用于測量微區的元素組成，化學鍵以及電子結構等。尤其適于產生非彈性散射幾率大的較輕元素，如：碳、氮、氧和硼等。另外，EELS分析結果不帶有假象，其定量分析結果不需要標樣校正。

掃描透射電鏡（STEM）的成像原理是在掃描線圈的控制下，匯聚成納米級的電子束在樣品中逐行掃過。同時位于樣品下部的接收器同步接收透過樣品的彈性和非彈性散射電子用于成像。由于掃描透射模式的圖像是逐點、按時間順序排列的像素組成，所成的像能夠保證與掃描點一一對應，因此，像可以直接用于解釋。對于原子序數大于Al的原子，STEM方式直接可以看到原子的排列，即超微區的成分分析。

2.2.2 三維成像

對于由晶體組成的大多數固體來說，其在固體空間的取向、形狀、大小和分布直接影響到材料的性能。利用TEM方式常常獲得二維微觀信息，無法提供三維空間的相對分布和晶界特性的信息。然而對于常規材料，這妨礙了人類對微觀結構和宏觀性能之間關系的深刻理解。三維的X-射線雖能夠提供微區的信息，但其精度只能達到100nm。這還遠遠落后于材料學家的需求。

最近，中國科學院金屬研究所的劉志權研究員與國外學者合作開發的新的三維透射電子顯微技術其空間分辨率已達到1納米，可以對納米晶體的取向、大小、形狀和三維空間的分布進行精確描述。比三維X-射線衍射技術提高了兩個數量級。

利用透射電子顯微鏡對納米材料進行直接三維定量表征，這將是表征納米材料的理想方法，它可對組成納米材料的各個小晶體進行精確描述。這些微觀結構參數的精確定量測定為理解和優化納米材料的性能提供了堅實的基礎。

2.3 使役條件下的原位透射電鏡

材料在使用環境下的力學行為、腐蝕行為等微觀結構的變化，一直以來是材料學家關注的重點。對于上述機理的認識，能夠幫助人們更好地利用金屬材料。針對上述實用過程中的微觀結構的變化需要應用實時觀察技術。基于此用于原位（in-situ）觀察的樣品臺出現了。目前，商用的原位觀察樣品臺主要有：加熱臺、拉伸臺。針對拉伸條件下的腐蝕液體的樣品臺；以及多場耦合，力磁、電，光耦合的樣品臺還沒有商業化。

針對實際需求，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室SF1組研制出新的原位透射電鏡測量裝置，實現場效應晶體管器件單元在透射電鏡中的原位表征。

2.3.1 可加磁場的原位樣品桿

此設備在研制過程中技術難點是樣品桿精細加工，樣品杯傾轉、高真空密封等問題，特別是雙傾樣品桿中“U”型磁組件和樣品杯的巧妙設計，解決了電子束在磁場中的橫向偏轉問題，此項技術填補了國內技術空白；可以為平臺提供對材料在磁場作用下的原位觀察，為磁性材料的應用研究提供依據。

2.3.2 可加光信號的原位樣品桿

此設備研制過程中成功地解決了樣品桿精細加工，樣品杯傾轉、高真空密封、激光走向控制等問題，是國內第一家把激光引入透射電鏡進行原位電子顯微學研究，此項技術填補了國內技術空白；該平臺可以提供對材料在激光作用下的原位觀察，為材料的微觀結構、光電性能研究提供依據。

2.3.3 多種使役條件下的原位樣品桿

獲得接近實用條件下原位觀察，比如獲取材料在諸如溫度、磁場、電場、應力等外場，以及各種介質作用下的微觀結構變化信息是TEM技術的一大發展方向。為此必須開發出適于多場、多環境耦合的多功能透射電鏡樣品臺。由于透射電鏡本身極靴空間狹小，致使多功能樣品臺的開發進展十分緩慢。

2.4 電鏡控制系統發展方向

遠程控制，簡化真空操作步驟、樣品更換及驅動、照相記錄、電鏡工作模式變換等復雜的工作均只需要一個啟動命令就能自動完成，尤其是引入電子計算機之后，使操作進一步自動化，可以實現在線圖像和譜線處理。還能實現遠程操控，便于開展國際交流與合作。

3 結語

隨著針對透射電鏡成像基本原理以及附件的深入研究和不斷發展進步，TEM在材料表征中的作用越來越重要，尤其在原位觀察條件下獲取材料微觀結構表征方面是無法被超越的。

[1]葉恒強,王元明.透射電子顯微學進展[M].北京:科學出版社,2003.

[2]方克明，鄒興,蘇繼靈.納米材料的透射電鏡表征[J].現代科學儀器 2003,(2).