透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscope，TEM）是材料、物理、化学以及生命等科学领域中非常有用的工具，我们常常需要使用透射电子显微镜来获取样本的表面（或形貌）以及内部等信息，比如科研工作者们可以利用冷冻透射电子显微镜（CryoEM）获得了新型冠状病毒的形貌（图1），这对我们了解材料并进一步对材料进行有针对性的处理有很大帮助。那么透射电子显微镜是如何工作的呢？

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　　一、基本介绍

　　透射电子显微镜结构示意图，可以看到，透射电镜的结构是相当复杂的。在该图中只显示了光学系统，像各种透镜（Lens），光阑（Aperture），偏转器（Deflector）以及像散校正器（Stigmator），而各种收集EDS（能谱）、EELS（电子能量损失谱）、BF（明场）、ADF（环形暗场）、HADDF（高角环形暗场）、SE（二次电子）等信号的探测器并没有在图中给出。基于电子与样品相互作用时各种信号产生机制的不同（可以参考文章“Z-ContrastImage和PhaseContrastImage，散射和衍射”），不同探测器在透射电镜中的位置也不同，这也使得其结构比图中所示要复杂很多。更高级的透射电镜会安装球差校正器（AberrationCorrector）以减小由于透镜不完美而引起的分辨率下降等影响。在很多情况下，为了实时观察一些化学反应，还要向透射电镜中通入气体或引入某些光束，这就是我们常说的原位电镜实验（In-situTEM），这进一步增加了透射电镜的复杂程度。所有的这些功能的实现都使得透射电镜的结构越来越复杂，当然也使得这些透镜越来越贵，但将越来越多的功能集中在一台设备上目前是大趋势，因为这样厂家可以提高自己产品的竞争力。

　　二、透射电镜结构

　　透射电镜主要分三部分：照明系统，成像系统和投影系统。首先是照明系统，按照从上往下的顺序，为电子枪（Gun）和电子枪偏转器（GunDeflector）。在电子枪和偏转器之间有加速电场，用于给电子枪产生的电子加速，加速电场由加速电压提供，加速电压可以根据实验的实际情况进行改变。电子枪加速器是用于偏转刚从电子枪出来的电子束，因为刚从电子枪出来的电子束往往并不是完美地沿着电子束轴传播，往往需要偏转器进行初步调节。接着是聚光镜（CondenserLens），一般有两个聚光镜，用于聚焦形成探测与样品相互作用的电子束。在这一部分会有CondenserStigmator和CondenserAperture。CondenserStigmator用于对光路的上半部分，也就是从电子枪到样品之间这一部分的光路进行初步的校准。一般从电子枪直接出来的电子束的质量并不好，再加上透镜的影响（透镜一般都是不完美的，存在球差和色差，对于这种磁透镜而言，不同方向的折射能力也有差别），所以需要利用GunDeflector和CondenserStigmator进行调节，使获得的照明电子束在样品上的光斑尽可能均匀。CondenserAperture就是将光斑不完美的部分挡住，只让中间比较均匀的部分通过，于是我们就得到了一个圆形的光斑。不同的透射电镜在这一部分的结构会有些不同，但目的是一样的，都是为了获得较高质量的电子束。当有了电子束以后就到了Objective这一部分，即成像系统。这一部分和Condenser部分类似，也有电子束偏转器（BeamDeflector），物镜（ObjectiveLens）和ObjectiveStigmator。电子束偏转器用来调节光束在样品上的位置，物镜有两个，一个是上方物镜（ObjectiveLensUpper），用来产生所需要的电子束，比如可以用该透镜控制样品表面电子束光斑的大小（非平行光时可以通过改变透镜强度改变聚焦程度），一个是下方物镜（ObjectiveLensLower），用于收集经样品衍射的电子束，这里的上方下方是相对于样品而言的。ObjectiveStigmator用来消除物镜镜带来的影响。在物镜下一般有两个光阑，一个是物镜光阑（ObjectiveAperture），一个是选区光阑（SelectedAreaAperture）。物镜光阑经常用于辅助成像，比如提高低倍成像对比度；选区光阑主要在电子衍射实验中用到，对特定的区域进行衍射成像。经过Objective成像后还有一个像偏转器（ImageDeflector）用于调节所成像相对探测器的位置，这一个功能貌似不常用到。再往下就是投影系统，首先是中间透镜（IntermediateLens），这一个透镜用于控制成像模式，通过改变该透镜的强度，可以在普通成像模式（拍照模式）和衍射成像模式之间进行切换。然后是一个DiffractionStigmator，用于消除中间镜对成像带来的影响。然后是两个投影透镜（ProjectorLens），用于将所成的像投影到探测器上。

　　三、透射电镜基本成像模式

　　在这一部分我们主要介绍一下透射电镜光学系统的下半部分（LowerColumn），因为上半部分主要是用来产生照明电子束，不涉及电子束与样品的相互作用，即不涉及到成像。如图3为两种基本成像模式，一种为拍照，也就是普通成像模式（B），另一种是衍射成像（A）。这里主要有样品（Specimen）、物镜（ObjectiveLens）、物镜光阑（ObjectiveAperture）、选区衍射光阑（SelectedAreaDiffractionAperture,SADaperture）、中间镜（IntermediateLens）、投影透镜（ProjectorLens）以及荧光屏。在中间镜以上，两种成像模式是没有任何区别的。虽然两种模式使用了不同的光阑，但实际上光阑都是可选的。两种模式中，均可以插入两个光阑中的任何一个。物镜光阑在物镜的后焦面上（BackFocalPlane），选区衍射光阑在物镜的像平面上。从两个光阑的位置可以知道，物镜光阑是在衍射斑中选择让一部分衍射光束通过，而阻挡另一部分衍射光束，所以物镜光阑可以改变成像分辨率和对比度；而选区衍射光阑是在像平面上（图中Intermediateimage1）让一部分样品的光通过，然后利用中间透镜（IntermediateLens）进行衍射成像。在衍射成像模式（A）中，之所以不加入物镜光阑，主要是在做衍射实验时，我们首先需要一个清晰的像来选择需要做衍射的部分，如果加入物镜光阑，那么衍射电子束中的高频成分会被阻挡，导致所成像比较模糊。当然，加入物镜光阑也有好处，加入物镜光阑可以使所成像的对比度提高，能够很容易地看到样品中不同的晶粒（具体原理会在下一篇文章中讨论），有助于我们选择特定的样品区域进行衍射成像。在拍照模式，也就是普通成像模式中，我们要观察的是样品的形貌，当然不需要加入选区光阑，否则只能看到一小部分样品。如果想进行高分辨成像，则需要将像放大上万倍，这时候选区光阑的尺寸比我们要观察的区域的尺寸大得多，加进去也没有任何意义。实际操作时则根据我们的需要选择是否要加某个光阑进去。

　　两种成像模式的不同主要在中间透镜（IntermediateLens）到投影透镜（ProjectorLens）之间的这一部分。从图3可以看到，二者中间透镜的强度不一样，也就是所加的电流不一样。在衍射模式（A）中，中间透镜将经过选区衍射光阑的电子束重新会聚成衍射斑成在投影透镜的物平面上（图中Intermediateimage2）然后由投影透镜投影到荧光屏。而在普通成像模式（B）中，中间透镜将样品的像成在了投影透镜的物平面上，而其衍射像实际还在较高的位置，从图中也可以看出来，所以最后只有样品的像会被投影到荧光屏上。在该模式中，中间透镜实际上也是一个投影透镜，具有和投影透镜相同的功能，所以最后的像其实是二级放大之后的像。这也是为什么在图2中，投影部分会有DiffractionStigmator而不是其他Stigmator，因为在这部分，衍射成像模式利用中间透镜再次进行了成像，而普通模式只是利用中间透镜进行了一次放大，只起到投影的作用。所以主要是衍射成像过程会受到中间透镜由于不完美而带来的影响。

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