關于透射電子顯微鏡的背景知識介紹

　　1、電子

　　理論上，光學顯微鏡所能達到的最大分辨率，d，受到照射在樣品上的光子波長λ以及光學系統的數值孔徑，NA，的限制：

　　二十世紀早期，科學家發現理論上使用電子可以突破可見光光波波長的限制（波長大約400納米-700納米）。與其他物質類似，電子具有波粒二象性，而他們的波動特性意味著一束電子具有與一束電磁輻射相似的性質。電子波長可以通過徳布羅意公式使用電子的動能得出。由于在TEM中，電子的速度接近光速，需要對其進行相對論修正：

　　其中，h表示普朗克常數，m0表示電子的靜質量，E是加速后電子的能量。電子顯微鏡中的電子通常通過電子熱發射過程從鎢燈絲上射出，或者采用場電子發射方式得到。隨后電子通過電勢差進行加速，并通過靜電場與電磁透鏡聚焦在樣品上。透射出的電子束包含有電子強度、相位、以及周期性的信息，這些信息將被用于成像。

　　2、電子源

　　從上至下，TEM包含有一個可能由鎢絲制成也可能由六硼化鑭制成的電子發射源。對于鎢絲，燈絲的形狀可能是別針形也可能是小的釘形。而六硼化鑭使用了很小的一塊單晶。通過將電子槍與高達10萬伏-30萬伏的高電壓源相連，在電流足夠大的時候，電子槍將會通過熱電子發射或者場電子發射機制將電子發射入真空。該過程通常會使用柵極來加速電子產生。一旦產生電子，TEM上邊的透鏡要求電子束形成需要的大小射在需要的位置，以和樣品發生作用。

　　對電子束的控制主要通過兩種物理效應來實現。運動的電子在磁場中將會根據右手定則受到洛倫茲力的作用，因此可以使用磁場來控制電子束。使用磁場可以形成不同聚焦能力的磁透鏡，透鏡的形狀根據磁通量的分布確定。另外，電場可以使電子偏斜固定的角度。通過對電子束進行連續兩次相反的偏斜操作，可以使電子束發生平移。這種作用在TEM中被用作電子束移動的方式，而在掃描電子顯微鏡中起到了非常重要的作用。通過這兩種效應以及使用電子成像系統，可以對電子束通路進行足夠的控制。與光學顯微鏡不同，對TEM的光學配置可以非常快，這是由于位于電子束通路上的透鏡可以通過快速的電子開關進行打開、改變和關閉。改變的速度僅僅受到透鏡的磁滯效應的影響。

　　3、電子光學設備

　　一般來說，TEM包含有三級透鏡。這些透鏡包括聚焦透鏡、物鏡、和投影透鏡。聚焦透鏡用于將最初的電子束成型，物鏡用于將穿過樣品的電子束聚焦，使其穿過樣品（在掃描透射電子顯微鏡的掃描模式中，樣品上方也有物鏡，使得射入的電子束聚焦）。投影透鏡用于將電子束投射在熒光屏上或者其他顯示設備，比如膠片上面。TEM的放大倍數通過樣品于物鏡的像平面距離之比來確定。另外的四極子或者六極子透鏡用于補償電子束的不對稱失真，被稱為散光。需要注意的是，TEM的光學配置于實際實現有非常大的不同，制造商們會使用自定義的鏡頭配置，比如球面像差補償系統 或者利用能量濾波來修正電子的色差。

　　4、成像設備

　　TEM的成像系統包括一個可能由顆粒極細（10-100微米）的硫化鋅制成熒光屏，可以向操作者提供直接的圖像。此外，還可以使用基于膠片或者基于CCD的圖像記錄系統。通常這些設備可以由操作人員根據需要從電子束通路中移除或者插入通路中。