透射电子显微镜（探索物质结构之透射电子显微镜）
眼睛是人类认识客观世界的第一架“光学仪器”，但它的能力却是有限的，通常认为人眼睛的分辨率为0.1 mm 。17世纪初，光学显微镜（图1）出现，可以把细小的物体放大到千倍以上，分辨率比人眼睛提高了500 倍以上，这也是人类认识物质世界的一次巨大突破 。随着科学技术的不断发展，直接观察到原子是人们一直以来的愿望，电子显微学的出现为人们实现这一夙愿提供了可能 。随着电子显微学的不断发展和进步，透射电子显微镜（图2）的分辨率已经达到了亚埃量级，电子显微镜已经成为材料学领域不可或缺的表征手段 。另外，电子显微学与纳米科学、生物学等的结合，使得电子显微镜的功能日渐扩大，同时它也促进了这些领域的飞速发展 。
图1 罗伯特·胡克发明的光学显微镜（图片来源：百度网）
图2 HT7700-日立透射电子显微镜（图片来源：百度网）
透射电子显微镜的起源与发展
透射电子显微镜起源于20 世纪20~30 年代 。1924 年，德布罗意提出了粒子具有波动性 。1926—1927 年，Davisson、Germer 以及Thompson Reid 实验发现了电子衍射，从而证明了电子的波动性，因此想到可以用电子代替可见光来制作电子显微镜，以克服光波长对分辨率的限制 。1926 年，德国学者Busch提出采用轴对称的磁场有可能使电子聚焦，为电子显微镜的制作提供了理论依据 。1933年，Ruska 等人做出了世界上第一台透射电子显微镜 。1934 年，电子显微镜的分辨率已经达到了500?，Ruska 也因此获得了1986 年的诺贝尔物理学奖 。1939 年，德国西门子公司造出了世界上第一台商品透射电子显微镜（TEM），分辨率优于100 ? 。之后，美国Arizona 洲立大学物理系的Cowley 教授等定量地解释了相位衬度像，即所谓高分辨像（高分辨TEM 图像见图3），从而建立和完善了高分辨电子显微学的理论和技术 。高分辨电子显微术能够使大多数晶体中的原子列成像，目前高分辨电子显微术已经是电镜中普遍使用的方法，其分辨率已经达到了1~2 ? 。
图3 高分辨TEM 图像（图片来源：百度网）
除了波长限制了透射电镜的分辨率外，透射电镜的像差，包括色差、球差、像散和畸变，也使得透射电镜的分辨率难以突破1 ? 。20 世纪末，球差校正器研制成功，球差校正电子显微镜减小了非局域化效应的影响，进一步提高了透射电镜的分辨率，已经达到了亚埃量级 。随着球差校正电子显微镜应用的普及，球差校正电子显微学在逐渐形成和发展 。此外，近20 年来，随着电子显微术的不断发展，扫描透射电子显微镜术（STEM，其图像见图4）也成为了广泛应用的表征手段 。相比于传统的高分辨相位衬度成像技术，扫描透射电镜具有分辨率高，对化学成分敏感，图像直观容易解释等优点 。其中高分辨扫描透射电子显微镜可以直接获得原子分辨率的Z 衬度像，结合X 射线能谱和电子损失谱，还可以获得原子分辨率的元素分布图和单个原子列的能量损失谱，因此可以在一次实验中得到原子分辨率的结构、化学成分和电子结构等信息 。
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