TEM电镜测试：从样品制备到衍射分析的完整指南

透射电子显微镜（TEM）以原子级分辨率揭示材料内部结构，其信息维度远超SEM——不仅能看到形貌，更能通过电子衍射确定晶体结构、通过高分辨像直接观察晶格条纹、通过能谱分析纳米尺度成分。但TEM的一切分析都建立在合格的样品制备之上，这也是TEM最大的技术门槛。

TEM成像的物理基础

TEM用高能电子束（100-300 kV）穿透薄膜样品（厚度<100 nm），在下方用电磁透镜放大成像。电子的德布罗意波长λ = h/√(2meV)，200 kV下λ=0.00251 nm，远小于原子间距，理论上可以达到0.1 nm以下的分辨率。

实际分辨率受电磁透镜像差限制，尤其是球差（Cs）。球差校正TEM（Cs-corrected TEM）可以将分辨率推进到0.05 nm（50 pm），实现单原子成像。

TEM的成像模式

明场像（Bright Field, BF）：用物镜光阑只选择透射束成像。晶体取向满足布拉格条件的区域衍射强、透射弱，在明场像中呈暗衬度。明场像对晶体取向和厚度敏感，是观察晶粒、析出相、位错的基本模式。

暗场像（Dark Field, DF）：用物镜光阑选择一支衍射束成像。只有满足该衍射条件的区域呈亮衬度。暗场像可以突出特定取向的晶粒或特定结构的析出相，在多相材料中非常有用。

高分辨像（HRTEM）：不用物镜光阑，让透射束和多支衍射束同时参与成像。当样品足够薄（<20 nm）时，像中的条纹直接对应晶面投影，可以”看到”原子列。HRTEM的衬度随厚度和欠焦量变化（衬度传递函数），需要做图像模拟才能精确解释。

扫描透射模式（STEM）：电子束聚焦成纳米级探针在样品上扫描，用环形探测器收集散射电子。STEM-HAADF（高角环形暗场）的衬度近似正比于Z²（原子序数平方），被称为Z衬度像，重原子显示为亮点。STEM的优势是可以结合EDS/EELS做逐点成分分析。

样品制备方法

TEM样品制备是决定分析成败的关键环节。不同材料需要不同的方法：

电解双喷减薄（金属薄膜）

最常用的金属TEM样品制备方法：

1. 机械减薄至50-100 μm薄片
2. 冲成Φ3 mm圆片
3. 在电解液中双喷减薄，电解液从两侧喷射样品中心
4. 当中心穿孔时，孔边缘形成楔形薄区（<100 nm），适合TEM观察

参数选择因材料而异：

低温（-20~-40°C）是关键——低温减小化学腐蚀、增大抛光均匀性。电压过高会产生腐蚀坑，过低则减薄太慢。

离子减薄（非金属材料）

陶瓷、矿物、半导体等不能用电解抛光，用氩离子铣削：

1. 机械减薄至20-30 μm
2. 用胶粘在铜环上
3. 氩离子束从两侧以低角度（3-8°）轰击，逐步减薄至穿孔
4. 最后用低能量（0.5-2 keV）、低角度（2-3°）离子抛光去除非晶层

离子减薄速度极慢（1-2 μm/小时），一个样品可能需要4-12小时。离子减薄会在表面产生非晶层（几十纳米厚），影响HRTEM分析。用低能离子抛光可以减小非晶层至<2 nm。

FIB制样（特定区域取样）

聚焦离子束（FIB）可以从大块样品中精确切取特定区域的TEM薄膜：

1. 在感兴趣区域上方沉积Pt保护层
2. 用Ga⁺离子切出约2×10×10 μm的薄片
3. 用机械臂将薄片提起并焊到铜网上
4. 用低能离子精修至<100 nm

FIB的优势是位置精确（可以切取晶界、界面、裂纹尖端等微区），缺点是Ga⁺注入损伤（约10-20 nm层），且设备昂贵。

电子衍射分析

选区电子衍射（SAED）

用选区光阑选取约0.5-1 μm区域做电子衍射。SAED花样的解读：

单晶花样：规则排列的衍射斑点，斑点位置对应晶面的倒易点阵。通过测量斑点间距R和已知相机常数Lλ，计算晶面间距d = Lλ/R，与PDF卡片比对确定结构。

多晶花样：同心衍射环。环半径对应不同晶面族的d值。环的连续性反映晶粒数量——晶粒少时环断裂为弧段，晶粒多时环连续。

织构花样：衍射环不是均匀连续，而是在某些方向上增强（弧段）。反映材料中有择优取向。

会聚束电子衍射（CBED）

将电子束会聚成纳米级探针做衍射，花样是衍射圆盘而非斑点。CBED可以：

• 精确测定晶格常数（精度0.001 Å，远高于SAED）
• 确定晶体点群和空间群
• 测定样品厚度（通过Kossel-Möllenstedt条纹间距）
• 测定结构因子（通过CBED圆盘内的强度分布）

CBED需要将样品倾转到特定晶带轴，操作复杂但信息量极大。

实际案例：铝合金析出相表征

以7075铝合金（Al-Zn-Mg-Cu系）的时效析出分析为例：

样品制备

• 固溶处理（475°C/30min水淬）+ 时效（120°C/24h）
• 电解双喷减薄：10%高氯酸+90%甲醇，18V，-30°C
• 液氮冷却后立即观察，避免室温时效改变析出状态

分析步骤

第一步：低倍明场像

在BF模式下用10000×~30000×倍率观察析出相的形貌和分布：

• 基体中弥散分布着针状析出相，长度20-80 nm，宽度2-4 nm
• 析出相沿三个<100>方向排列（基体立方系的低指数方向）

第二步：选区电子衍射

在析出区域做SAED，沿[001]晶带轴：

• 基体Al的衍射斑点（FCC，a=4.05 Å）
• 在{100}位置附近出现额外弱斑点，对应析出相的GP区或η’相
• 弱斑点的位置和强度与时效温度/时间相关，可用于判断析出阶段

第三步：高分辨像

在300000×倍率下做HRTEM，直接观察析出相与基体的界面：

• 析出相与基体保持共格界面（晶格条纹连续过渡）
• 析出相内部晶面间距约2.1 Å，对应η’-Al₂Zn₃Mg₃的(010)面
• 界面处无位错，共格应变场约2-3%

第四步：STEM-EDS成分分析

用STEM探针在析出相上做EDS点分析（束斑~1 nm，采集60秒）：

• 基体：Zn 2.8%、Mg 1.6%、Cu 1.2%
• 析出相：Zn 28%、Mg 15%、Cu 8%
• Zn/Mg比约1.9，接近η’-Al₂Zn₃Mg₃的化学计量比

结论

120°C/24h时效后7075铝合金的主要强化相为η’过渡相，呈针状共格析出，尺寸20-80 nm。这是峰时效状态，强度最高。继续时效能效会因η’向非共格η相转变而降低（过时效）。

常见问题诊断

样品漂移：图像中晶格条纹模糊或移动。原因：样品未充分冷却（热膨胀）、样品与样品台接触不良、污染导致充电。解决方法：等待30分钟热平衡、重新安装样品、等离子清洗。

非晶层干扰：HRTEM中看到的不是晶格条纹而是模糊斑点。原因：离子减薄产生的表面非晶层。解决方法：低能离子抛光（<1 keV, 2°）去除非晶层。

辐照损伤：电子束照射下样品结构变化（起泡、变非晶）。原因：电子束使化学键断裂（尤其在聚合物和某些陶瓷中）。解决方法：降低电压、减小束流、用冷台降低温度、尽量缩短观察时间。