透射电子显微镜

穿透式電子顯微鏡（英語：Transmission electron microscope，縮寫：TEM、CTEM），簡稱透射電鏡，是把經加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關，因此可以形成明暗不同的影像，影像將在放大、聚焦後在成像器件（如螢光屏、膠片、以及感光耦合組件）上顯示出來。
由於電子的德布羅意波長非常短，透射電子顯微鏡的解析度比光學顯微鏡高的很多，可以達到0.01～0.02μm，放大倍數為幾萬～百萬倍。因此，使用穿透式電子顯微鏡可以用於觀察樣品的精細結構，甚至可以用於觀察僅僅一列原子的結構，比光學顯微鏡所能夠觀察到的最小的結構小數萬倍。TEM在物理學和生物學等相關的許多科學領域中都是重要的分析方法，如癌症研究、病毒學、材料科學、以及納米技術、半導體研究等等。
在放大倍數較低的時候，TEM成像的對比度主要是由於材料不同的厚度和成分造成對電子的吸收不同而造成的。而當放大率倍數較高的時候，複雜的波動作用會造成成像的亮度的不同，因此需要專業知識來對所得到的像進行分析。通過使用TEM不同的模式，可以通過物質的化學特性、晶體方向、電子結構、樣品造成的電子相移以及通常的對電子吸收對樣品成像。
第一台TEM由馬克斯·克諾爾和恩斯特·魯斯卡在1931年研製，這個研究組於1933年研製了第一台解析度超過可見光的TEM，而第一台商用TEM於1939年研製成功。

最開始的研究

恩斯特·阿貝最開始指出，對物體細節的解析度受到用於成像的光波波長的限制，因此使用光學顯微鏡僅能對微米級的結構進行放大觀察。通過使用由奧古斯特·柯勒和莫里茨·馮·羅爾研製的紫外光顯微鏡，可以將極限解析度提升約一倍。然而，由於常用的玻璃會吸收紫外線，這種方法需要更昂貴的石英光學元件。當時人們認為由於光學波長的限制，無法得到亞微米解析度的圖像。
1858年，尤利烏斯·普呂克認識到可以通過使用磁場來使陰極射線彎曲。這個效應早在1897年就由曾經被費迪南德·布勞恩用來製造一種被稱為陰極射線示波器的測量設備，而實際上早在1891年，里克就認識到使用磁場可以使陰極射線聚焦。後來，漢斯·布斯在1926年發表了他的工作，證明了制鏡者方程式在適當的條件下可以用於電子射線。
1928年，柏林科技大學的高電壓技術教授阿道夫·馬蒂亞斯讓馬克斯·克諾爾來領導一個研究小組來改進陰極射線示波器。這個研究小組由幾個博士生組成，這些博士生包括恩斯特·魯斯卡和博多·馮·博里斯。這組研究人員考慮了透鏡設計和示波器的列排列，試圖通過這種方式來找到更好的示波器設計方案，同時研製可以用於產生低放大倍數（接近1:1）的電子光學原件。1931年，這個研究組成功的產生了在陽極光圈上放置的網格的電子放大圖像。這個設備使用了兩個磁透鏡來達到更高的放大倍數，因此被稱為第一台電子顯微鏡。在同一年，西門子公司的研究室主任萊因霍爾德·盧登堡提出了電子顯微鏡的靜電透鏡的專利。

解析度改進

1927年，徳布羅意發表的論文中揭示了電子這種本認為是帶有電荷的物質粒子的波動特性。TEM研究組直到1932年才知道了這篇論文，隨後，他們迅速的意識到了電子波的波長比光波波長小了若干數量級，理論上允許人們觀察原子尺度的物質。1932年四月，魯斯卡建議建造一種新的電子顯微鏡以直接觀察插入顯微鏡的樣品，而不是觀察格點或者光圈的像。通過這個設備，人們成功的得到了鋁片的繞射圖像和正常圖像，然而，其超過了光學顯微鏡的解析度的特點仍然沒有得到完全的證明。直到1933年，通過對棉纖維成像，才正式的證明了TEM的高解析度。然而由於電子束會損害棉纖維，成像速度需要非常快。
1936年，西門子公司繼續對電子顯微鏡進行研究，他們的研究目的使改進TEM的成像效果，尤其是對生物樣品的成像。此時，電子顯微鏡已經由不同的研究組製造出來，如英國國家物理實驗室製造的EM1設備。1939年，第一台商用的電子顯微鏡安裝在了I. G Farben-Werke的物理系。由於西門子公司建立的新實驗室在第二次世界大戰中的一次空襲中被摧毀，同時兩名研究人員喪生，電子顯微鏡的進一步研究工作被極大地阻礙。

進一步研究

第二次世界大戰之後，魯斯卡在西門子公司繼續他的研究工作。在這裡，他繼續研究電子顯微鏡，生產了第一台能夠放大十萬倍的顯微鏡。這台顯微鏡的基本設計仍然在今天的現代顯微鏡中使用。第一次關於電子顯微鏡的國際會議於1942年在代爾夫特舉行，參加者超過100人。隨後的會議包括1950年的巴黎會議和1954年的倫敦會議。
隨著TEM的發展，相應的掃描穿透式電子顯微鏡技術被重新研究，而在1970年芝加哥大學的阿爾伯特·克魯發明了場發射槍，同時添加了高質量的物鏡從而發明了現代的掃描穿透式電子顯微鏡。這種設計可以通過環形暗場成像技術來對原子成像。克魯和他的同事發明了冷場電子發射源，同時建造了一台能夠對很薄的碳襯底之上的重原子進行觀察的掃描穿透式電子顯微鏡。

電子源

從上至下，TEM包含有一個可能由鎢絲製成也可能由六硼化鑭製成的電子發射源。對於鎢絲，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勞侖茲力的作用，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，這是由於位於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。

電子光學設備

TEM的透鏡可以對電子束進行聚焦，聚焦的角度是一個可以變化的參數，這樣TEM就擁有了通過改變透鏡線圈、四極子、或者六極子的電流來調節放大倍數的能力。四極子透鏡是一種將電磁線圈垂直擺放在正方形的頂點的排列方式，從而使產生了聚焦用的磁場，而六極子配置通過使用六個線圈，提高了磁場的對稱性。
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。聚焦透鏡用於將最初的電子束成型，物鏡用於將穿過樣品的電子束聚焦，或使電子束聚焦使其穿過樣品（在掃描穿透式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）。投影透鏡用於將電子束投射在螢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於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於補償電子束的不對稱失真，被稱為散光。需要注意的是，TEM的光學配置於實際實現有非常大的不同，製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。

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）的硫化鋅製成螢光屏，可以向操作者提供直接的圖像。此外，還可以使用基於膠片或者基於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。

組成結構

TEM包含有若干元件，其中有一個用於傳輸電子束的真空系統，用於產生電子束的電子發射源，一系列的電磁透鏡，以及靜電盤。後兩個器件允許操作者按照要求對電子束進行操作。此外，還需要一個設備將樣品移入或移出電子束通路，以及在通路中移動。成像設備隨後使用射出前述系統的的電子束成像。

真空系統

真空系統的作用有兩方面，一方面可以在陰極和地之間加以很高的電壓，而不會將空氣擊穿產生電弧，另一方面可以將電子和空氣原子的撞擊頻率減小到可以忽略的量級，這個效應通常使用平均自由徑來描述。標準的TEM需要將電子的通路抽成氣壓很低的真空，通常需要達到10⁻⁴帕。由於TEM的元件如樣品夾具和膠捲盒需要經常插入電子束通路，或者需要更換，因此系統需要能夠重新抽成真空。因此，TEM不能採用永久密封的方法來保持真空，而是需要裝備多個抽氣系統以及氣閘。
用於將TEM抽成達到需要的真空度的真空設備包含有若干級。首先，需要使用旋片泵或者隔膜泵將TEM抽成低真空，以允許渦輪分子泵或者擴散泵將TEM抽至操作所需要的高度真空。為了讓低真空泵不必連續運轉，而渦輪分子泵連續的進行操作，低壓泵的真空端需要與渦輪分子泵級聯。TEM不同段可以使用門閥隔離，以允許在TEM的不同的區域達到不同的真空度，例如在高解析度TEM或者場發射TEM的電子槍處，需要真空度達到 10⁻⁴ 至 10⁻⁷ 帕，甚至更高的真空。
高電壓TEM需要極高的真空度，通常要達到 10⁻⁷ 至 10⁻⁹ 帕以防止產生電弧，特別是在TEM的陰極處。因此高壓TEM需要第三個真空系統，同時電子槍與主室使用門閥或者差動泵隔離。差動泵可以防止氣體分子擴散入高真空電子槍區域的速度超過氣體抽出的速度。對於這種非常低的氣壓，需要使用離子泵或者吸氣材料。
如果TEM的真空度達不到所需要的量級，會引起若干的問題，如進入TEM的氣體會通過一種成為電子束致沉澱的過程沉澱於待觀察的樣品上，或者在更嚴重的情況下會導致陰極損傷。由於樣品導致的真空問題可以通過冷阱技術來吸收樣品附近昇華的氣體。

樣品台

TEM樣品台的設計包括氣閘以允許將樣品夾具插入真空中而儘量不影響顯微鏡其它區域的氣壓。樣品夾具適合夾持標準大小的網格，而樣品則放置在網格之上，或者直接夾持能夠自我支撐的樣品。標準的TEM網格是一個直徑3.05mm的環形，其厚度和網格大小只有幾微米到100微米。樣品放置在內部的網格區域，其直徑約2.5mm。通常的網格材料使用銅、鉬、金或者鉑製成。這個網格放置在與樣品台配套的樣品夾具上。大多數的樣品台和夾具的設計依賴於需要進行的實驗。除了3.05mm直徑的網格，2.3mm直徑的網格偶爾也在實際中使用。這些網格在材料科學領域中得到廣泛應用，這是因為經常需要將樣品傾斜很大的角度，而樣品材料經常非常稀少。對電子透明的樣品的厚度約100納米，但是這個厚度與加速電子的電壓相關。
一旦插入TEM，經常需要對樣品進行操作以使電子束照射在感興趣的部分上，例如一個單晶粒在某個特殊的角度的繞射。為了達到這一目的，TEM的樣品台需要能夠使樣品在XY平面平移，在Z方向調節高度，而且通常至少可以在某一方向上對樣品進行旋轉。因此TEM的樣品台必須對樣品提供四個運動的自由度。更現代的TEM可以為樣品提供了兩個方向正交的旋轉自由度，這種夾具設計稱為雙傾斜樣品夾具。某些頂端進入或者稱為垂直插入的樣品台設計在高解析度TEM研究中曾經很普遍，這種樣品台僅有XY平面的平移能力。TEM樣品台的設計準則非常複雜，需要同時考慮到機械和電子光學的限制，因此有許多非常獨特的設計。
由於TEM的放大倍數很高，樣品台必須高度穩定，不會發生力學漂移。通常要求樣品台的漂移速度僅有每分鐘幾納米，而移動速度每分鐘幾微米，精度要求達到納米的量級。早期的TEM設計通過一系列複雜的機械設備來達到這個目標，允許操作者通過若干旋轉杆來精確的控制樣品台的移動。現代的TEM樣品台採用電子樣品台的設計，通過步進電機來移動平台，使操作者可以利用計算機輸入設備來移動樣品台，如操縱杆或軌跡球。
TEM的樣品台主要有兩個設計，側入式和頂入式。每種設計都需要配合相應的夾具以允許樣品插入電子束通路的時候不會損害TEM的光學性質或者讓氣體進入TEM的真空區域。
 
通常使用的夾具是側入式的，樣品放置在一個較長的金屬杆的尖端，金屬通常是黃銅或不鏽鋼，沿著金屬杆是一些聚合物真空環，以保證在將樣品插入TEM的時候擁有足夠的真空氣密性。樣品台需要配合金屬杆設計，而樣品根據TEM物鏡的設計或者放在物鏡之間或者放在物鏡附近。當插入樣品台的時候，側入式夾具的尖端伸入TEM的真空腔中，而其末端處在空氣中，真空環形成了氣閘。側入式的TEM夾具的插入過程包括將樣品旋轉以打開一個微開關，使得樣品在插入TEM之前就開始對氣閘進行抽真空操作。
第二個設計，頂入式夾具包括一個幾厘米長的小盒，盒沿軸有一個鑽孔，樣品被放置在洞中，可能需要利用一個小的螺絲來將樣品固定在合適的位置。樣品盒將被插入氣閘中，其鑽孔與TEM光軸垂直。在密封后，將操作氣閘以將樣品盒推入正確的位置，這時鑽孔將與TEM的光軸一致，電子束將穿過樣品盒的鑽孔射入樣品。這種設計通常無法將樣品傾斜，因為一旦傾斜，就會阻礙電子束的通路，或者與物鏡發生干擾。

電子透鏡

電子透鏡對電子束的作用類似於光學透鏡對光線的作用，它可以將平行的電子束聚集在固定的焦點。透鏡可以使用靜電效應，也可以使用磁效應。TEM中使用的電子透鏡大多數都使用了電磁線圈以產生凸透鏡的作用。這些透鏡產生的場必須是徑向對稱的，否則，磁場透鏡將會產生散光等失真現象，同時會使球面像差與色差惡化。電子透鏡使用鐵、鐵鈷合金或者鎳鈷合金、坡莫合金製成 。選擇這些材料是由於它們擁有適當的的磁特性，如磁飽和、磁滯、磁導等等。
電磁透鏡的主要元件包括外殼、磁線圈、磁極、極靴以及外部控制電路組成。極靴必須製造得非常對稱，這樣可以提供形成透鏡磁場的合適的邊界條件。製造極靴的過程中的誤差會嚴重影響磁場的對稱性，從而導致透鏡在物平面重建像的失真。透鏡的空隙的大小、極靴的內徑以及尖端的尺度，還有透鏡的整體設計經常通過磁場有限元分析來完成，同時還需要考慮到設計的散熱和電氣限制。
產生透鏡磁場的線圈位於透鏡的外殼之內。這些線圈中的電流可以變化，然而經常使用很高的電壓，因此需要很強的絕緣能力，以防止透鏡元件之間發生短路。散熱元件需要將由線圈電阻造成的發熱散出。線圈可能還需要使用水冷，亦即使用流動的冷水將熱量帶走。

光圈孔徑

光圈是環形的金屬圓盤，距離光軸超過一定距離的電子將無法通過光圈。這個元件包含的小圓盤厚度足以阻止電子穿過，而中央的電子則可以從空洞穿過。允許中央的電子通過這一性質在TEM中可以同時產生兩種效應。首先，光圈使得電子束的強度減弱，對於某些對電子束強度敏感的樣品就需要使用光圈。其次，光圈可以去掉散射角過大的電子，從而可以削弱球面像差和色差，以及由於電子和樣品發生作用的繞射等等不希望出現的現象。
光圈可能是大小固定的，或者大小可變。他們可以插入電子束通路或者取出，或者在垂直於電子束通路的平面中移動。光圈系統是一種允許操作人員選擇不同大小的光圈的機械設備，這樣操作人員可以在電子束強度與過濾效應上做出取捨。光圈系統通常需要配合測微計來移動光圈。

對比度資訊

TEM中的對比度資訊與操作的模式關係很大。複雜的成像技術通過改變透鏡的強度或取消一個透鏡等等構成了許多的操作模式。這些模式可以用於獲得研究人員所關注的特別資訊。

亮場

TEM最常見的操作模式是亮場成像模式。在這一模式中，古典的對比度資訊根據樣品對電子束的吸收所獲得。樣品中較厚的區域或者含有原子數較多的區域對電子吸收較多，於是在圖像上顯得比較暗，而對電子吸收較小的區域看起來就比較亮，這也是亮場這一術語的來歷。圖像可以認為是樣品沿光軸方向上的二維投影，而且可以使用比爾定律來近似。對亮場模式的更複雜的分析需要考慮到電子波穿過樣品時的相位資訊。

繞射對比度

由於電子束射入樣品時會發生布拉格散射，樣品的繞射對比度資訊會由電子束攜帶出來。例如晶體樣品會將電子束散射至後焦平面上離散的點上。通過將光圈放置在後焦平面上，可以選擇合適的反射電子束以觀察到需要的布拉格散射的圖像。通常僅有非常少的樣品造成的電子繞射會投影在成像設備上。如果選擇的反射電子束不包括位於透鏡焦點的未散射電子束，那麼在圖像上沒有樣品散射電子束的位置上，也就是沒有樣品的區域將會是暗的。這樣的圖像被稱為暗場圖像。
現代的TEM經常裝備有允許操作人員將樣品傾斜一定角度的夾具，以獲得特定的繞射條件，而光圈也放在樣品的上方以允許用戶選擇能夠以合適的角度進入樣品的電子束。
這種成像方式可以用來研究晶體的晶格缺陷。通過認真的選擇樣品的方向，不僅能夠確定晶體缺陷的位置，也能確定缺陷的類型。如果樣品某一特定的晶平面僅比最強的繞射角小一點點，任何晶平面缺陷將會產生非常強的對比度變化。然而原子的位錯缺陷不會改變布拉格散射角，因此也就不會產生很強的對比度。

電子能量損失

通過使用採用電子能量損失光譜學這種先進技術的光譜儀，適當的電子可以根據他們的電壓被分離出來。這些設備允許選擇具有特定能量的電子，由於電子帶有的電荷相同，特定能量也就意味著特定的電壓。這樣，這些特定能量的電子可以與樣品發生特定的影響。例如，樣品中不同的元素可以導致射出樣品的電子能量不同。這種效應通常會導致色散，然而這種效應可以用來產生元素成分的資訊圖像，根據原子的電子-電子作用。
電子能量損失光譜儀通常在光譜模式和圖像模式上操作，這樣就可以隔離或者排除特定的散射電子束。由於在許多圖像中，非彈性散射電子束包含了許多操作者不關心的資訊，從而降低了有用資訊的可觀測性。這樣，電子能量損失光譜學技術可以通過排除不需要的電子束有效提高亮場觀測圖像與暗場觀測圖像的對比度。

相襯技術

晶體結構可以通過高解析度穿透式電子顯微鏡來研究，這種技術也被稱為相襯顯微技術。當使用場發射電子源的時候，觀測圖像通過由電子與樣品交互作用導致的電子波相位的差別重構得出。然而由於圖像還依賴於射在屏幕上的電子的數量，對相襯圖像的識別更加複雜。然而，這種成像方法的優勢在於可以提供有關樣品的更多資訊。

繞射模式

如前所述，通過調整磁透鏡使得成像的光圈處於透鏡的後焦平面處而不是像平面上，就會產生繞射圖樣。對於單晶體樣品，繞射圖樣表現為一組排列規則的點，對於多晶或無定形固體將會產生一組圓環。對於單晶體，繞射圖樣與電子束照射在樣品的方向以及樣品的原子結構有關。通常僅僅根據繞射圖樣上的點的位置與觀測圖像的對稱性就可以分析出晶體樣品的空間群資訊以及樣品晶體方向與電子束通路的方向的相對關係。
繞射圖樣的動態範圍通常非常大。對於晶體樣品，這個動態範圍通常超出了CCD所能記錄的最大範圍。因此TEM通常裝備有膠捲暗盒以記錄這些圖像。
對繞射圖樣點對點的分析非常複雜，這是由於圖像與樣品的厚度和方向、物鏡的失焦、球面像差和色差等等因素都有非常密切的關係。儘管可以對格點圖像對比度進行定量的解釋，然而分析本質上非常複雜，需要大量的計算機仿真來計算。
繞射平面還有更加複雜的表現，例如晶體格點的多次繞射造成的菊池線。在會聚電子束繞射技術中，會聚電子束在樣品表面形成一個極細的探針，從而產生了不平行的會聚波前，而匯聚電子束與樣品的作用可以提供樣品結構以外的資訊，例如樣品的厚度等等。

改進

掃描時間長。

應用

透射電子顯微鏡在材料科學、生物學上應用較多。由於電子易散射或被物體吸收，故穿透力低，樣品的密度、厚度等都會影響到最後的成像質量，必須製備更薄的超薄切片，通常為50～100nm。所以用透射電子顯微鏡觀察時的樣品需要處理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷凍超薄切片法、冷凍蝕刻法、冷凍斷裂法等。對於液體樣品，通常是掛預處理過的銅網上進行觀察。