透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope，TEM)具有很高的分辨率和放大倍数高，广泛应用于材料科学、地球科学、医学和生命科学等领域。透射电子显微镜与不同附件（X射线能谱分析（EDS）和电子能量损失谱（EELS））相结合，可同时提供形貌，组成和结构信息，它能揭示物质内部微细的观结构，为人们认识，理解事物微观结构所必需。透射电镜观察的最终目的是获得清晰的照片，样品的制备是关键。透射电镜试样制备质量的好坏直接影响试样观察效果和分析结果。
一、 样品制备的基本要求
（1）样品被观察区对入射电子必须是“透明”的。
电子对试样的穿透能力与试样自身能量和试样所含各元素原子序数等因素有关。普通透射电镜样品厚度小于100nm。对厚度须在10nm以下的高分辨电镜试样。
（2）样品必须牢固。
为了能够承受电子束轰击和防止在搬运时机械振动造成损伤。对于易破损的块状试样，须用铜网粘住，铜网起到加固试样的作用。对于粉末样品来说，可以尝试将粉末样品分散到带有支持膜的铜网上（例如，火棉胶膜，微栅膜，超薄炭膜等）。铜网与火棉胶膜起到了支撑，承载与黏附粉末样品的作用。生物样品则须固定，硬化后切成超薄切片后放置在覆盖支持膜的载网中。
（3）样品必须具有导电性。
对于非导电样品，应在表面喷一层很薄炭膜，以防止电荷积累而影响观察。
（4）防止样品被污染。
制样时必须将试样超微结构完整地保留。严格防止样品被污染和样品结构、性质的改变（如相变、氧化等）。
二、 样品载网与支持膜的选用
载网一般为多孔金属片，起到增强、支撑试样的作用。载网可由Cu,Ni,Mo,Al,W,Au和尼龙制成，但是一般采用Cu,因此统称为铜网。其规格较多，可以根据试样的特性选用。多数透射电镜样品的制样过程中，为保证样品能够携带到“载网”中去，都要在“载网”中覆盖有机膜，即所谓的“支持膜”。这种带有支持膜的载网就叫做“载网支持膜等”。
支持膜为一层非晶质的薄膜，厚约20nm。它在电子束照射下应该是“透明的”，本身并无任何结构，且与样品不会发生反应。
下面具体介绍支持膜的分类。
1.无孔碳支持膜系列
碳支持膜（Formvar Stabilized with Carbon Support Film）就是方华膜（也可用火棉胶）上面再覆一层碳，它是一种最为普遍和广泛应用的支持膜。喷镀后碳颗粒更细，一般在1nm以下，最适合在200kV电镜中观测纳米材料。膜总厚度:10~20nm。
2.纯碳支持膜系列
纯碳支持膜(Carbon Support FilmwithaＲemovable Formvar Backing)：适合观察10nm以上的样品。膜总厚度:20～40nm。推荐选用400目载网。
薄纯碳支持膜(Thinner Pure Carbon Support Film)：在操作上膜总厚度:7～10nm(根据实验要求还可以更薄，达到3～7nm)。推荐选用400目载网。
超薄碳支持膜（Ultrathin Pure Carbon Film with no Formvar Backingon Lacey Carbon Support Film）：特别适用于低衬度的高分辨电镜，并且是能量过滤（Energy Filtering TEM）检测的理想载膜。膜厚度在3~5nm之间。建议选择230目的载网。
3.有孔(微栅)支持膜系列
微栅支持膜(Lacey Support Film)：常见孔径大约2～8μm。膜厚度15～30nm。推荐选用230目载网。
纯碳微栅支撑膜（A Lacey Support Film with a Removable Formvar Backing）：更加方便微束分析或者单颗粒电子衍射像的获取。膜的总厚度为15~30nm。建议选择230目的载网。
FIB微栅支持膜(FIB Lacey Support Film)：专用于FIB(聚焦离子束)分析技术领域。膜总厚度15～30nm。推荐选用200目载网。
多孔碳支持膜(Holey Support Film)：膜厚度15～20nm。推荐选用230目载网。
Quantifoil规则多孔支持膜（Quantifoil Micromachined Holey Carbon Support Film）：此种膜还可应用于物质纳米特征研究，如生物大分子复合体在载体自由悬层的研究。膜孔径自定义在1~7μm之间。膜厚度在18~20nm之间。
C-flat纯碳多孔支持膜(C-flat Holey Carbon Grids for Cryo-TEM)是应用于Cryo-TEM的首选支持膜。
4.非碳材料支持膜系列
纯方华膜(Pure Formvar Support Film Only)：膜厚度10～15nm。推荐选用200目载网。
镀金支持膜(Formvar Stabilized with Gold Support Film)：便于EDS检测。膜厚度:10～20nm。推荐选用200目载网。
镀锗支持膜(Formvar Stabilized with Germanium Support Film)具有化学性质稳定，衬度好等优点。
氮化硅薄膜窗格（Silicon Nitride Support Film）可以承受1000°C以上的高温。弹性更好，适合多种样品制备技术的要求，电子束轰击时相对稳定，衬度和亲水性略低于碳膜。
5.特型载网支持膜系列
除我们常用的圆孔、方孔载网支持膜以外，在特殊应用中还会选用某些特型载网所制成的支持膜。例如光圈载网、狭缝载网和双联载网。
三、样品制备方法
透射电镜样品制备是比较复杂的工艺过程，对于获得良好的TEM像或者衍射谱非常重要。透射电镜就是利用试样散射如射电子能力不同来形成衬度的，它需要制备电子束“透明”试样，并且需要保持较高分辨率且不失真。电子束在固体样品中的透射能主要取决于加速电压、样品厚度和材料的原子序数。通常加速电压越高、原子序数越小，电子束所能穿透的试样越厚。对100~200kV透射电镜来说，需要50~100nm厚的试样作为高分辨率透射电镜，试样厚度需要15nm左右（越薄越好）。
现将透射电子显微学最常用的几种制样方法介绍如下：
1.粉末法
该方法也称为悬浮液法，适于制备其粉末能为电子穿透的试样，例如碳黑和粘土矿物。若粉末样品在半固结的情况下，可用玛瑙研钵轻轻捣匀，再按照以下步骤进行：首先在粉末样品上撒上盛有蒸馏水和酒精的水、丙酮或者甘油等容器内，利用超声波震荡器振荡10min左右，使之分散于液体内形成悬浮液。然后用滴管吸出悬浮液使1~2滴移到覆盖支持膜铜网上。用滤纸吸去液滴，液体充分蒸发后可放入电镜下观察。
对于块状样品，也可将其捣碎，然后再按上述方法制样。必须注意的是:应该“捣碎”，而不是“研碎”，以保留尽可能多的刃边和尖角———即薄区。
2.化学腐蚀法
此法是利用化学试剂对物质的溶解作用，以达到减薄样品的目的。通常采用适当浓度的HNO3、HCl等强酸作为化学减薄液。
3. 电解减薄法
该方法只用于金属、合金等具导电性的试样制备，通常采用双喷电解减薄仪。减薄仪包括电解槽，马达箱。以磁力为动力，让电解液在试样两侧喷嘴中连续不断地喷射出来，用于加快电解作用。
4.离子减薄法
离子减薄法既适用于导电样品，也适用于非导电样品(如半导体、陶瓷和岩矿样品等)的制备，通常用离子减薄器来完成。
5.聚焦离子束
聚焦离子束方法必须在聚焦离子束（FocusedIonBeam,缩写为FIB）体系中进行。本系统除带有Ga离子发射装置之外，还设有与扫描电镜相似的二次电子信号探测及其成像系统，可在制样时对Ga离子激发的二次电子进行探测并成像。该体系把Ga离子束汇聚到一个直径仅为数十nm的区域来轰击试样。用轰击的方法处理试样，使其变薄。样品在受到轰击的过程中，中将着二次电子的生成，二次电子可由系统探测到，形成二次电子像。
6.超薄切片法
切片方法可以用来制备生物试样薄片，切割相对柔软无机材料。使用金刚石刀超薄切片前包埋并用玻璃刀整形。对固定试样包埋剂，可采用丙烯基系列树脂，也可采用环氧系列树脂。
这种方法比上述无机材料样品的超薄切片法复杂，但是可用于观察生物的精细结构。需要经过取材、固定、漂洗、脱水、浸透、包埋、切片及染色等多个步骤。
7.冷冻制样法
该方法采用冷冻技术，使得生物样品快速烘干变硬。
其优点是可避免化学固定剂、脱水剂等对生物组织产生不良影响，降低细胞内物质流失，从而较好地保留生物大分子、酶等结构与活性。它存在着可能被冰晶造成破坏的缺陷。冷冻制样法有：冷冻固定，冷冻置换，冷冻复型等。
四、样品防污染措施
透射电镜观测过程中样品污染始终是影响高分辨成像质量最主要的因素之一。造成试样污染的主要原因是镜筒中残余碳氢化合物和吸附于试样上指示的有机物在电子束辐照某一地区时向它聚集。怎样进行有效的改进？
（1）改善样品室的真空卫生。
① 达到尽可能高的真空度，一般使用要优于20μPa;
② 不要用手去接触放入真空中样品杆的前端部分，及橡皮圈之前;
③ 样品杆与大气接触时间较长，特别是雨季或者潮湿地区吸附于其上的有机物难以在短期内抽出，从而使置于样品室内的真空度受到不同程度的损害，条件允许时，宜安装样品杆预抽机1台，不用样品杆可先在此进行预抽，以保持干燥状态，而部分样品杆具有烘烤功能，对污染物挥发较为有利。不信，取下试样之后最好让试样杆重新回到试样室中，使之处于真空状态；
④ 对于使用DP作为样品室预抽的最好不要超过10min，太长油蒸汽多少会污染一些样品;
⑤ 样品杆放入后不要马上将灯丝或电子枪隔离阀打开，因为在插入的过程中多少会人为的造成一点泄漏，即使看着真空度很好，最好再等待1～2min，等真空稳定后再观察;
⑥ 使用ACD抗污染装置，每天早上加液氮，既有利于样品室的真空卫生，又对SIP的寿命是有好处，它的有效时间是7～8h，所以不影响下午工作中午必须补充液氮。记得在工作之前把ACD烤一下；71~3个月应烤镜筒1次，通常为周末BAKE60h；（2）然后用PLASMACLEANERZ（等离子清洗机）处理试样。其原理是利用活性等离子在试样上产生物理轰击和化学反应的双重效应，将被洗物体表面有机物和氧化层物质转化为粒子和气态物质并经抽真空后排出体外，从而实现清洗。此外，还可用作样品的预抽机。
（2）BEAMSHOWEＲ是最为经济有效的防污染方法。
它的原理就是通过强光照射样品后，可把有机物暂时固定在样品表明，从而减少了污染率。具体步骤如下:
① LOWMAG模式，是整个铜网与大荧光屏尺寸想接近;
② TEM1-3;
③ CLAP撤出位置;
④ 将光聚成与整个铜网相一致的大小;
⑤ 可以添加ILAP,把光阑孔调到荧光屏外面，只需一个方向旋钮即可，切记调好方向，便于后调。这个目的就是为了避免荧光屏在强光下时间过长导致老化；
⑥ 沐浴时间为30min;
⑦ 最后将ILAP光阑孔调回并撤出;
⑧ 返回MAG模式;
⑨注意:不是所有的样品都适合做BEAMSHOWEＲ，只适合耐照的样品;BEAMSHOWEＲ不是一劳永逸，功效是30min，超过这个时间要再做一次。
对透射电镜进行观察，其最终目的就是为了获得清晰的图像。拍摄一张优质透射电镜照片的关键是试样的准备。选用适当制样方法、适当载网及支持膜并防止试样受污染。然后通过适当的电镜操作可迅速拍到质量良好的TEM图片。
五、基本操作及实例展示
世界上有不同型号和功能的透射电镜，但是基本的操作流程都是差不多的，如图一所示。
图一 透射电镜拍摄操作基本流程
A.聚光镜对中：普通透射电镜的拍摄需插入一级聚光镜光阑内，电子束刚插入荧光屏时可能并不位于荧光屏中央，见图二（a）；这时需要先会聚电子束于一点，调节电子束平移至中心，再散开光斑，调节光阑旋钮使之仍在中心，反复几次后，电子束与荧光屏能同心收缩，如图二（b）。
图二 （a）聚光镜光阑未对中的情况和（b）聚光镜光阑对中完成的情况
B.合轴：在电镜高压稳定之后，应该进行系统的合轴调整，一般情况下在alpha设为3时，平移电子束和电子枪位置，使spot size1~5的电子束都能会聚在荧光屏中心。
C.选取合适的衍射条件：许多人在对晶体样品进行摄影时常常忽视了这一步骤，图三显示了晶粒内部在不同衍射条件下所表现出的微观结构变化。按照晶带定律:hu+kv+lw=0,选择合适的低指数晶带轴[uvw]，可以保证衍射束的数目（hkl）足够多，后续的投影内势函数计算有足够的精度。由于透射电镜衍射衬度还与晶体取向有一定关系，因此在低指数晶带轴周围“双光束条件”下摄影，将让位错及其它缺陷更为清楚地暴露出来以供统计与分析。
图三 轧制纯铝不同取向的晶粒内部微观结构并不一样
D.调焦：调整样品高度，使图像尽量清晰明锐，可以根据薄膜样品边缘出现的菲涅尔条纹（Fresnel fringes）的状态来调节物镜焦距旋钮，如图四所示。欠焦状态下，孔洞边缘外侧出现白色菲涅尔条纹（黄色箭头处），正焦状态下边缘光滑无菲涅尔条纹，过焦状态下菲涅尔条纹位于边缘内侧（黄色箭头处）。菲涅尔条纹随欠焦或过焦程度增加而展宽，所以向条纹窄化方向调整可实现正焦。此外，颗粒在试样表面的衬度也可调整，颗粒在正焦状态对比度最小，显得最为光滑。值得注意的一点就是为了获得质量较好的透射照片常常选择正焦状态下欠焦一点来提高对比度，使画面显得更加清晰。
图四 碳膜孔洞边缘在（a）欠焦（b）正焦（c）过焦状态下的拍摄图片
E.物镜消像散：一般物镜光阑尺寸和位置的微小变化会引起像散，如果观察的是磁性材料会干扰物镜磁场也需要消像散，对一般的材料来说，主要是在拍摄高分辨照片时才会对物镜像散有严格的要求。
低倍时，可见物镜像散扭曲了菲涅尔条纹，有的在边缘内测量，有的在外测量，图五显示了有物镜像散与无像散之间的比较。这时，可以先利用前面的方法将图像调节到欠焦或者过焦，然后调节物镜像散使菲涅尔条纹恢复均匀对称，即可消除像散。
图五 非晶碳膜孔洞在（A）欠焦（B）过焦（C）正焦（D）有物镜像散的低倍透射照片
高分辨模式下（100K倍甚至更高倍数），则最好需要在非晶区域进行物镜像散的调节。如图六所示，是不同条件下的非晶碳膜高分辨照片。需要先调节物镜光阑的焦距，使图像尽量清晰，对比度合适，然后进行消像散，使图一片均匀，在正焦下看起来似乎什么都没有，但欠焦和过焦图像应该很清楚，且过焦与欠焦的图像只有衬度变化，麻点的形状应一致麻点，没有方向性。这样就表明调好了。也可以利用FFT（Fast Fourier Transformation）图像来辅助调节，当FFT 图像为椭圆时表明有像散，调节至FFT 图像为正圆，说明已调好。
通常按麻点对比度及FFT来调整物镜的像散需大于100K的倍数才能奏效，因此推荐目前按菲涅尔条纹进行低倍调整的方法，再逐渐增加倍数以确保物镜的像散不越调越大。万一实在是一不小心调的越偏点，就觉得越调越不好回不了头，那又该如何是好呢？别担心，你可以单击NTRL（复位）键，使其恢复初始状态，同时调整物镜像散模式。
图六 碳膜非晶区在（A）无像散无漂移（B）有像散（C）严重像散（D）无像散有一点漂移（E）无像散有更大的漂移（F）无像散无漂移情况下的高分辨照片和对应的FFT花样
通常情况下，通过上述逐步调整，可平稳地拍摄出低倍至高倍各类透射照片。其余则是在拍照软件中调整对比度与曝光时间来获得相对优质的照片。另一个小提示是保存照片时最好存成2种格式，一种是拍照软件专用格式，另一种是TIFF。选用软件专用格式，就是要将照片的完整资料全部保存起来，以便以后再查；TIFF与其他BMP格式、JPEG格式和PNG格式相比，储存了更多细微层次上的图像信息，图像质量很高，因此对原稿复制很有帮助。
六、 高分辨拍摄要点
高分辨电子显微像就是使物镜后焦面投射束河的几个衍射经过物镜光阑后，因其相位相干所产生相位衬度的显微像。因参与成像的衍射束个数不一样而获得了不一样名字的高分辨像。图七所示固溶态Al-Si合金二维晶格像是用透射束和二维方向衍射束来表现。
图七 固溶态Al-Si合金的二维晶格像
高分辨电子显微像的拍摄是一项十分细致费时的工作，需要注意很多问题，比如：
（A）拍摄含非晶结构薄膜的高分辨像时，要关注像中晶区与非晶区之间的细节，尤其是界面；含纳米晶及非晶区纳米晶样品拍高分辨像要方便得多。当晶区与非晶区之间的界限细节被遮蔽时，表明加速电压与透射电流的稳定性或工作环境的稳定性出现了问题。另外非晶膜傅里叶变换花样及衍射花样质量也可用于判断非稳定波数区间。
（B）高分辨像的质量和拍摄时的聚焦漂移与试样漂移关系极大。聚焦漂移是指聚焦随着时间推移会向着欠焦或者过焦的一侧移动的现象，如图七中（D）（E）所示。
（C）样品漂移通常发生在样品刚插入样品台内的一瞬间，还有刚加入液氮时也有影响，所以需要确定以上2种操作后让样品到达稳定状态所需的时间。这段时间有时长达2~3min。
（D）确认物镜球差系数。一般可以依据厂家提供的数据，正确操作，选定最佳聚焦量，从而达到最佳的分辨率水平。
七、小结：
拍摄一张优质透射电镜照片的关键是试样的准备。选用适当制样方法、适当载网及支持膜并防止试样受污染。然后通过适当的电镜操作可迅速拍到质量良好的TEM图片。
