從原理到實踐如何拍出高質量TEM照片

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系統（又稱鏡筒）、真空系統和供電系統三大部分組成。其中鏡筒是主體部分，其內部分電子光學系統自上而下又分別排列著照明系統（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，電子槍會提供一束亮度高、相干性好以及束流穩定的照明源，通過聚光鏡的控制可以實現從平行照明到大會聚角的照明條件。為滿足中心暗場成像的需要，照明電子束可在2°至3°范圍內傾斜。然后電子束會穿透試樣室內的有一定厚度的樣品，便產生衍射現象，除零級衍射束外，還有各級衍射束，經過透鏡的聚焦作用，在其后焦面上形成衍射振幅的極大值，每一個振幅的極大值又可看作次級相干源，由它們發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，也是拍攝高質量照片的關鍵因素。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對稱引起的一種缺陷，透鏡極靴圓孔有點橢圓度或者極靴孔邊緣的污染等都會引起透鏡磁場的非旋轉對稱，對電子顯微鏡獲得高分辨本領有嚴重影響，但它能通過消像散器有效地加以補償矯正；照明電子束波長和透鏡電流的波動所引起的色差已由供電系統的穩定性所解決；球差至今無法通過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的主要因素。

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。當電子束的加速電壓為200kV時，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，往往會使膜內不同深度層上的結構細節彼此重疊而互相干擾，得到的圖像過于復雜，以至于難以進行分析。如果樣品太薄則表面效應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。

經過前輩們多年的智慧與努力，已經有很多針對不同材料制備透射薄膜樣品的方法。常見的有表面復型技術、支持膜銅網制備粉末試樣、直接制備薄膜平面試樣（真空蒸發、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）和近些年發展起來的聚焦離子束（FIB）方法。具體的制備流程在我們之前的學術干貨 | 送你一份超全SEM&STM&TEM測試攻略，拿走不謝中已經有非常詳細的介紹，本文就不再贅述了。

好的樣品是拍攝高質量透射照片的基本前提，所以這里還需要強調幾點：

（a）薄膜樣品的組織結構必須和大塊樣品相同，在制備過程中，這些組織結構不發生變化。尤其是在機械研磨過程中，力應該小一些，并需要用拋光或離子減薄消除表面硬化層。

（b）薄膜樣品應有一定強度和剛度，在夾持和操作過程中，在一定的機械力作用下不會引起變形或損壞。

（c）在樣品制備過程中不允許表面產生氧化和腐蝕，否則會使樣品的透明度下降，引入干擾信息。

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，剛插入時電子束可能不在熒光屏中心，如圖四（a）；這時需要先會聚電子束于一點，調節電子束平移至中心，再散開光斑，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，應該進行系統的合軸調整，一般情況下在alpha設為3時，平移電子束和電子槍位置，使spot size1~5的電子束都能會聚在熒光屏中心。

C.選取合適的衍射條件：很多人在拍攝晶體樣品時，往往會忽略這一步，如圖五中，在不同的衍射條件下，晶粒內部顯現出來的微觀結構會發生變化。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，所以在低指數晶帶軸附近的“雙光束條件”條件下拍攝，會讓位錯等缺陷更清晰的顯現出來，以便進行統計和分析。

圖五 軋制純鋁不同取向的晶粒內部微觀結構并不一樣

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）的狀態來調節物鏡焦距旋鈕，如圖六所示。在欠焦狀態下，孔洞邊緣的外側會出現呈白色的菲涅爾條紋（黃色箭頭處），正焦狀態下邊緣平滑無菲涅爾條紋，而在過焦狀態下菲涅爾條紋會在邊緣內側（黃色箭頭處）。菲涅爾條紋會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節就能達到正焦狀態。另外，還可以通過樣品上顆粒的襯度進行調節，正焦狀態下的顆粒對比度最低，看起來最平滑。值得注意的一點是，為了得到質量更好的透射照片，往往會選擇在正焦狀態的基礎上再欠焦一點點，以增強對比度，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）過焦狀態下的拍攝圖片

E.物鏡消像散：一般物鏡光闌尺寸和位置的微小變化會引起像散，如果觀察的是磁性材料會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才會對物鏡像散有嚴格的要求。

低倍下，可以看出物鏡像散會使菲涅爾條紋發生扭曲，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像散的對比。這時，可以先利用前面的方法將圖像調節到欠焦或者過焦，然后調節物鏡像散使菲涅爾條紋恢復均勻對稱，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），則最好需要在非晶區域進行物鏡像散的調節。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該很清楚，且過焦與欠焦的圖像只有襯度變化，麻點的形狀應一致麻點，沒有方向性。這樣就表明調好了。也可以利用FFT（Fast Fourier Transformation）圖像來輔助調節，當FFT 圖像為橢圓時表明有像散，調節至FFT 圖像為正圓，說明已調好。

一般來說，根據麻點對比度和FFT調節物鏡像散需要在100K倍以上才會有效，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越調越偏。萬一真的不小心調得越來越偏，感覺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，點擊NTRL（復位）按鈕恢復到初始狀態。

圖八 碳膜非晶區在（A）無像散無漂移（B）有像散（C）嚴重像散（D）無像散有一點漂移（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的FFT花樣

一般來說，經過以上的逐步調節，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間，就能得到比較高質量的圖像了。另外還有個小建議，就是在保存圖片的時候最好存兩種格式：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，存儲圖像細微層次的信息更多，圖像的質量也非常高，故而非常有利于原稿的復制。

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量不同，得到不同名稱的高分辨像。如圖九中，固溶態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的工作，需要注意很多問題，比如：

（A）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，拍攝高分辨像會更容易一些。當晶區和非晶區邊界細節模糊時，說明加速電壓和透射電流穩定性或者工作環境穩定性有問題。此外，非晶膜的傅里葉變換花樣和衍射花樣的質量，可以用來判斷不穩定的波數范圍。

（B）高分辨像的質量和拍攝時的聚焦漂移與試樣漂移關系極大。聚焦漂移是指聚焦隨著時間推移會向著欠焦或者過焦的一側移動的現象，如圖七中（D）（E）所示。

（C）試樣漂移一般出現在試樣剛剛插入試樣臺的瞬間，以及剛加液氮也會產生影響，因此要測定上述兩種操作之后使試樣達到穩定的時間。這個時間有時甚至長達2~3min。

（D）確認物鏡球差系數。一般可以依據廠家提供的數據，正確操作，選定最佳聚焦量，從而達到最佳的分辨率水平。

以上就是拍攝透射電鏡高質量照片的一些入門級的知識和技巧，雖然還不夠全面深入，但還是希望能夠對大家的電鏡操作和圖像拍攝有一點點啟發，為各位的科研和學習帶來一絲幫助。歡迎大家多多交流相互切磋，讓我們的實驗技能更進一步！