作者：孙千 本文转载自公众号：老千和他的朋友们。原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/JF7ODidI_s2Je4i-ugzgow
透射电子显微镜（TEM）是微观分析的核心仪器，由照明系统、物镜/样品台、成像系统三部分组成，统称 “镜筒”。电子沿镜筒向下传播，经各组件协同作用，完成电子束产生、样品作用、图像与衍射花样输出的全过程。本文将讨论各系统的结构、操作流程及校准方法，为仪器使用提供基础参考。
（1）照明系统：电子束的产生与调控
照明系统的核心是从电子枪获取电子，传输至样品并形成所需电子束，分为平行束和会聚束两种工作模式，关键组件包括聚光镜（C1、C2、C3）、C2 光阑和扫描线圈。
工作模式
平行束模式用于传统 TEM 成像和选区电子衍射（SAD）。通过调节 C1、C2 聚光镜，使电子束近似平行照射样品，20,000-100,000 倍放大下，电子束在样品上直径约几微米（见图1A）。
图 1 TEM 中的平行束操作：（A）基本原理示意图，仅使用 C1 透镜和欠焦的 C2 透镜。（B）大多数 TEM 中的实际情况：利用 C1 和 C2 透镜将电子源成像在聚光镜 – 物镜的前焦面（FFP），从而在样品平面形成平行束。因此，物镜上极靴有时被称为 C3 透镜。
热发射电子源的交叉点经 C1 透镜缩小，场发射电子枪（FEG）的交叉点可能需 C1 放大；减弱 C2 透镜形成欠焦像，可让电子束更接近平行，会聚角 α＜10⁻⁴弧度。C2 光阑越小，电子束平行性越好，但探针电流会降低（见图2）。
图2 | C2 光阑对电子束平行性的影响：较小的光阑能使样品处的电子束更接近平行，但代价是到达样品的电子总数减少（即探针电流降低）。
会聚束模式适用于 STEM 成像、X 射线能量色散谱（XEDS）、电子能量损失谱（EELS）及会聚束电子衍射（CBED）。将 C2 透镜调至聚焦状态，在样品上形成 C1 交叉点的像，可最小化照明区域并提高电子束强度（见图3A）。
图 3 TEM 中的会聚束/探针模式：（A）基本原理：聚焦的 C2 透镜以非平行的会聚束照射样品的小区域。（B）大多数 TEM 中的实际情况：利用物镜上极靴作为 C3 透镜，可获得最小的探针尺寸和较大的会聚角。注：此处 C2 透镜对光路无影响（即实际已关闭）。较大的物距（dₒ）与像距（dᵢ）比值能最大程度缩小电子枪交叉点的像。
热发射电子源需搭配 C3 透镜或聚光镜–物镜（c/o）系统，才能获得小于1纳米的探针；C1 透镜强度越大，探针尺寸越小，同时影响探针电流（见图4）。
图 4 | C1 透镜强度对探针尺寸的影响：（A）C1 透镜强度越大，后续透镜（C2和/或 C3）的缩小倍数越大，样品上的电子束尺寸越小；（B）C1 透镜强度越弱，探针越宽。注：改变 C1 透镜强度还会改变撞击 C2 光阑的电子数量，进而影响到达样品的探针电流。
关键组件与调控
聚光镜–物镜（c/o）系统是现代材料表征 TEM 的标准配置，磁场强度达 2 特斯拉，兼具聚光镜与物镜功能。与传统物镜不同，c/o 透镜在过焦状态下电子束更接近平行，需搭配微型聚光镜实现模式切换（见图5）。调整 C2 透镜强度，样品上的电子束会依次呈现平行、会聚、发散、再平行状态，直接影响 STEM 图像、CBED 花样焦点及分析的空间分辨率。
图5 | 聚光镜–物镜（c/o）透镜的工作状态随 C2 透镜强度的变化：随着 C2 透镜强度增加，样品上的电子束依次从（A）近平行状态，经过（B）会聚状态、（C）发散状态，最终（D）回到平行状态。可见，随着 C2 强度增加，交叉点沿镜筒上移；C3 透镜会根据入射光路的会聚程度，在微型透镜前形成自身的交叉点。
电子束的平移与倾斜通过扫描线圈实现，扫描线圈改变电流产生局部磁场，使电子束偏转（见图6A、B）。平移可将探针定位到目标区域，倾斜能让电子束以特定角度入射样品，满足中心暗场成像等需求。STEM 成像时，需两组扫描线圈对电子束进行两次倾斜，确保其平行于光轴扫描。
图6 | 样品前扫描线圈的用途：（A）电子束平移；（B）电子束倾斜。平移使电子束移动到样品的不同区域，但始终平行于光轴；相反，倾斜电子束会以不同入射角照射样品的同一区域。
校准与缺陷校正
C2 光阑需精确定心在光轴上，未校准会导致电子束像偏离中心、畸变（见图7）。
图 7 | C2 光阑失准的影响：若 C2 光阑未对准光轴，交替欠焦和过焦 C2 透镜（即 “摆动” 操作）会导致电子束像偏离光轴（即沿观察屏移动）并发生畸变。
校准步骤为：低倍下找到光阑像，将 C2 调至过焦，移动光阑使像定心；减弱 C2 聚焦电子束，定心后再调至欠焦，重复操作直至电子束像在屏幕中央伸缩（见图 8）。TEM 模式下更换光阑或调整 C1 时需重新校准，STEM 模式下改变探针尺寸也需校准。
图8 | C2 光阑对准光轴的效果：若 C2 光阑准确定心在光轴上，摆动 C2 透镜时，电子束像会保持圆形，并围绕光轴伸缩。
聚光镜存在球差、色差和像散缺陷。球差限制最小探针尺寸，满足公式 rₘᵢₙ≈0.91 (Cₛλ³)¹/⁴；色差对FEG影响较小，可通过电子束单色化校正；像散由光阑未校准或污染导致，表现为电子束像椭圆畸变，在焦点两侧摆动时旋转 90度（见图9），需通过消像散器在过焦、欠焦状态下反复校正，直至电子束像保持圆形。
图9 | 照明系统像散的表现：存在像散时，电子束像并非圆形，而是呈椭圆畸变，且在焦点两侧摆动时会旋转90度。
照明系统还需校准不同C1设置下的探针尺寸与电流，以及不同C2光阑尺寸对应的会聚角。探针电流与直径立方成正比，会聚角2α通过 CBED 花样测量，随 C2 光阑尺寸增大而增大。
（2）物镜与样品台：电子束–样品相互作用的核心
物镜与样品台是TEM的核心，所有电子束–样品相互作用均在此发生，物镜质量直接决定样品信息质量，样品台需精准定位样品。
样品杆分为顶插式和侧插式，侧插式为标准配置，需通过 z 轴控制调整样品高度。核心操作是将样品放置在 “等倾面”—— 垂直于光轴且包含样品杆杆轴线的平面，样品位于该平面时，倾斜样品台不会导致光轴上的点横向移动。
设置等倾高度有两种方法：一是选择样品特征并定心，双向倾斜样品台，通过 z 轴控制补偿特征位移，直至倾斜 ±30 度时图像稳定；二是将透镜设为c/o系统最佳工作状态，通过z轴聚焦图像，此时样品高度即为等倾位置。等倾面需与上下物镜极靴场对称定位，确保TEM和STEM模式下成像平面重合，可通过切换模式后是否需重新聚焦验证。
双等倾样品台通过计算机控制五个轴（x、y、z 平移轴及两个倾斜轴），避免样品倾斜时偏离光轴，实用性强。
（3）成像系统：图像与衍射花样的形成
成像系统通过中间镜、衍射镜、投影镜放大物镜生成的图像或衍射花样，经探测器、电荷耦合器件（CCD）投射到观察屏或计算机显示器，核心操作模式为衍射模式和成像模式。
TEM 成像与衍射
衍射模式下，调整中间镜使物平面对准物镜后焦面（BFP），衍射花样经放大投射到探测设备（见图 12A）。
图 12 TEM 成像系统的两种基本操作：（A）衍射模式：将衍射花样（DP）投射到观察屏；（B）成像模式：将图像投射到观察屏。两种模式下，中间镜分别选择物镜的后焦面（BFP）或像平面作为物平面。图示成像系统经过高度简化，大多数 TEM 的成像系统包含更多透镜，可在图像和衍射花样的放大倍数与聚焦范围方面提供更大灵活性。选区衍射（SAD）光阑和物镜光阑的插入与收回状态也已在图中标注。注：本图仅显示三个透镜，现代 TEM 镜筒的成像系统包含更多透镜。
选区电子衍射（SAD）技术通过在物镜像平面插入选区光阑，形成样品平面的虚拟光阑，限制照明区域（见图13）。操作步骤为：成像模式下欠焦 C2，插入选区光阑并定心，调整中间镜使光阑与样品像共轭，切换至衍射模式并聚焦花样。
图 13 选区衍射花样（SADP）形成的光路图：在像平面插入光阑会在样品平面形成虚拟光阑。只有进入样品入射面虚拟光阑范围内的电子，才能进入成像系统参与形成选区衍射花样（SADP）；其他电子（虚线所示）会撞击选区衍射（SAD）光阑而被遮挡。
成像模式下，中间镜物平面对准物镜像平面，投射样品图像（见图2B）。插入物镜光阑选择直射束，形成明场（BF）图像；选择散射电子，形成暗场（DF）图像（见图14A、B）。中心暗场（CDF）成像通过倾斜电子束，使散射电子沿光轴传播，减少像差（见图14C）。
图14| 物镜与物镜光阑组合成像的光路图：（A）明场（BF）图像：利用直射电子束形成；（B）位移光阑暗场（DADF）图像：利用特定的离轴散射束形成；（C）中心暗场（CDF）图像：倾斜入射束，使散射束沿光轴出射后形成。每个光路图下方均显示了物镜光阑在观察屏上选取的衍射花样（DP）区域。
空心锥衍射与暗场成像适用于微/纳米晶体或非晶体样品，硬件法使用环形聚光镜光阑，软件法通过计算机控制扫描线圈使电子束围绕光轴旋转（见图15），两种方法均可整合一组衍射束，提升图像信息。
图 15 | 空心锥衍射与成像原理：计算机控制扫描线圈可选择锥角（即圆环半径），从而确定哪个（hkl）环位于光轴上；还可控制旋转速度，使单次旋转与足够的曝光时间同步，以记录暗场（DF）图像。图（C）为非旋转状态的空心锥衍射花样（DP）：选区衍射（SAD）光阑尺寸与图像相当（直径 50 微米），物镜光阑足够小，仅允许一个环的衍射强度通过。图（B）、（D）、（E）分别为：该衍射花样对应的多晶金属薄膜明场（BF）图像、从衍射环中少数斑点获得的常规中心暗场（CDF）图像，以及能显示更多衍射晶粒的空心锥暗场图像。
STEM 成像系统
STEM 成像需电子束平行于光轴扫描，通过两组扫描线圈使电子束围绕物镜上极靴前焦面（FFP）摆动，确保其平行光轴传播并在样品平面形成探针（见图16、17）。STEM 图像为串行记录，电子束扫描样品，探测器接收信号并同步调制显示器，成像速度慢于 TEM，但不受成像透镜像差影响。
图16 | STEM 成像的会聚探针扫描原理：在 C2 透镜（通常关闭）和物镜上极靴之间使用两组扫描线圈，通过双偏转过程确保探针在扫描样品表面时始终平行于光轴。
图17 | 物镜后焦面（BFP）中静止会聚束衍射花样（DP）的形成：这是 STEM 成像的必要前提。注：样品上不同点以相同角度（2θ）散射的电子，会聚焦到后焦面（BFP）的同一点。
STEM 明场图像通过光轴上的探测器拦截直射束生成（见图19D）；暗场图像通过移动衍射花样，使散射束撞击明场探测器实现；环形暗场（ADF）成像利用环形探测器接收所有散射电子，与明场图像互补（见图19C）；高角环形暗场（HAADF）成像接收大角度散射电子，最大化卢瑟福散射效应。STEM 放大倍数由样品上的扫描尺寸控制，专用 STEM 放大倍数可超过 10⁷倍。
图 19 | STEM 成像原理：（A）明场（BF）探测器放置在与后焦面（BFP）共轭的平面，用于拦截直射束；同心环形暗场（ADF）探测器拦截散射电子，其分布如图（B）中的选区衍射花样（SADP）所示。两个探测器的信号经放大后调制 STEM 计算机显示屏。样品（碳膜上的金岛）的环形暗场（ADF）图像（C）与明场（BF）图像（D）互补。
（4）校准与像散校正
精准校准是TEM获取高质量数据的前提，包括透镜旋转中心校准、像散校正、放大倍数校准、相机长度校准等。
基础校准与像散校正
物镜旋转中心校准需选择图像参考点，在过焦与欠焦之间摆动物镜，通过电子束倾斜将旋转中心调整至屏幕中央，高倍（>10⁵倍）下校准效果更佳（见图20）。现代 TEM 可能通过计算机控制，部分仪器支持 “电压定心”。
图20 | 物镜旋转中心失准的影响：当物镜旋转中心失准时，摆动透镜聚焦时，图像会围绕观察屏中心以外的点旋转；当旋转中心准确对准时，图像会围绕屏中心旋转。
物镜像散由光阑未校准或污染导致，需在高倍（>10⁵倍）下观察样品小孔或边缘的菲涅耳条纹（欠焦为亮条纹，过焦为暗条纹），通过消像散器补偿拖尾现象，直至条纹均匀分布（见图21）。中间镜像散影响衍射花样，需调整消像散器，确保斑点聚焦时均匀伸缩。
图21 | 物镜像散校正示意图：（A）欠焦时，小孔边缘出现明亮的菲涅耳条纹；（B）过焦时，小孔边缘出现暗条纹；（C）精确聚焦时，无条纹且图像衬度最小；（D）存在像散时，条纹强度不均匀，需通过消像散器校正至条纹均匀分布。
定量校准
放大倍数校准使用标准样品，如线密度 2160 线 / 毫米的光学衍射光栅复制品（线间距 0.463 微米）、乳胶球或晶体晶格。在等倾高度下记录不同放大倍数的图像，根据已知间距计算实际放大倍数（见图22A、B），需注意电磁透镜的磁滞现象，保持操作一致性。
图 22 | 放大倍数字校准相关图：（A）已知光栅间距的衍射光栅复制品图像；（B）TEM 放大倍数校准曲线：可通过该曲线为特定放大倍数设置分配更准确的实验值（通常为估算 / 计算值）。若TEM 校准曲线非直线，则说明测量或仪器存在严重问题。
相机长度（L）校准满足公式 Rd=λL（R 为直射束与衍射束间距，d 为晶体间距，λ 为电子波长）（见图23）。通过多晶金（Au）或铝（Al）薄膜的衍射花样，测量环半径 R 计算 L。
图 23 | 相机长度（L）与衍射参数的关系：直射束与散射极大值（如衍射束或衍射强度环半径）之间的间距 R 与相机长度 L 相关。增大样品与观察屏之间透镜的放大倍数，可有效增大 L（实际操作中通过透镜实现）。
图像与衍射花样的旋转校准使用 α- 三氧化钼（α-MoO₃）样品，通过双重曝光记录图像与衍射花样，测量旋转角度ϕ，绘制放大倍数 -ϕ 曲线（见图24A、B）。
图 24 | 图像与衍射花样（DP）的旋转校准：（A）双重曝光图像：α- 三氧化钼（α-MoO₃）晶体的图像与同一晶体的衍射花样（DP）叠加，定义旋转角度ϕ；（B）旋转校准曲线：展示了放大倍数变化时，图像与衍射花样（DP）中对应方向之间的旋转角度ϕ（校准基于固定相机长度；若放大倍数变化时成像系统开启或关闭某一透镜（如设置 26 和 27 之间），旋转角度会发生显著变化）。
其他校准
加速电压可通过测量菊池线对角度、匹配高阶劳厄带（HOLZ）线与 CBED 花样或利用 XEDS 的杜安–亨特极限校准。样品倾斜轴校准需通过已知几何形状的样品，观察样品移动与衍射花样的关系确定。物镜焦增量校准用于高分辨率相位衬度成像，通过叠加聚焦与失焦图像计算失焦步骤值。
总之，TEM的稳定运行依赖照明系统、物镜/样品台、成像系统的协同工作。照明系统需通过校准保证电子束质量，物镜/样品台需精准设置等倾高度，成像系统需灵活切换模式以获取图像和衍射花样。各类校准操作是保证数据准确性的关键，操作人员需熟练掌握操作流程，定期执行校准，深入理解仪器原理，才能充分发挥 TEM 的分析能力。
（5）现代商业电镜的发展
现代透射电镜（TEM）随软件自动化与硬件集成度提升，已实现照明系统校准、等倾高度设置、成像/衍射模式切换、定量参数校准等基础标准化操作的 “一键化”，主流高端机型（如 FEI Titan、JEOL ARM 系列）大幅降低了使用门槛，但这并不意味着文章中的传统操作与校准环节 “落伍”。这些传统操作的底层原理是现代自动化功能的核心支撑，且在复杂样品分析（如污染光阑处理、beam-sensitive 样品分析）、高分辨率/定制化成像（如亚埃级 HRTEM、特殊成像模式）及故障排查中，传统操作的原理认知与手动干预能力仍是不可或缺的“兜底方案”。
两者本质是原理核心与效率工具的协同关系，自动化是对传统原理的精准数字化升级，而理解传统操作才能更好驾驭自动化工具，确保数据质量与分析可靠性，传统操作更是成为专业使用者解决复杂问题的基础能力。
在AI 技术推动下，TEM 软件自动化持续升级。赛默飞公司收购 FEI 后，在材料科学领域搭建了从通用到旗舰的梯度产品线。例如，Talos F200场发射系列透射电镜，搭配 Align Genie 软件，大幅降低操作难度，新手也能快速上手。Iliad 300 (S)TEM 性能拉满，300 kV 下 STEM 模式分辨率小于 0.8 Å，搭配静电束闸和Zebra电子能量损失谱 (EELS)，可实现原子级缺陷观察与痕量元素分析。旗舰型号Iliad Ultra (S)TEM 支持 30-300 kV 电压动态切换，全程仅需 5 分钟，既能适配敏感样品，也能满足高能量分辨率分析需求。
赛默飞透射电镜全系机型统一搭载 Velox 软件，借助 AI 辅助实现埃级精度的自动聚焦与消像散。产品既延续了 FEI 的光学技术优势，又通过数字化升级，精准适配现代科研的高效与精准需求。
此外，Tescan公司则在其全球首台专为4D STEM打造的电镜Tensor中，引入AI辅助的自动合轴功能，并将传统“电镜操作台式”的繁琐流程大幅简化，使合轴从“专家手艺”转变为可复制、可预测的标准化操作，并且完全取消了电镜的操作台。如今用户可按实验目标，在STEM成像、STEM-EDS、4D STEM应变/取向分析、三维层析成像（STEM/EDS）、旋进辅助差分相位衬度（DPC）以及三维电子衍射等模式间快速、灵活切换，并一键完成关键合轴，从而以更高效率获得稳定、可比且高质量的数据。
同时，针对STEM-EDS中的弱信号与峰重叠问题，以及4D STEM中微弱高阶衍射斑、低衬度特征等“信息埋在噪声里”的痛点，Tescan Tensor团队进一步开发了自驱动、无监督机器学习算法，用于自动提取有效特征、抑制噪声并提升信噪比，显著增强数据的可用性与可靠性。通过软硬件一体化的独特设计，STEM终于更像每位材料科研人员触手可及的智能助手，而不再是门槛高、依赖经验、对操作者要求极苛刻的“少数人才能驾驭”的高级设备。
参考资料The Instrument
STEM Solutions for Nanoscale Characterization & 4D-STEM Analysis | Tescan
Iliad Scanning Transmission Electron Microscope | Thermo Fisher Scientific – SG
