1.TEM 的加速電壓遠(yuǎn)高于掃描電子顯微鏡（SEM）；
2.中壓電鏡加速電壓為 200-500 kV，相比低壓電鏡（80-120 kV）具備更優(yōu)的透射效果和分辨率，超高壓電鏡加速電壓可達(dá) 500 kV-3 MV；
3.與 SEM 一致，TEM 電子槍通過(guò)熱電子發(fā)射、肖特基發(fā)射或場(chǎng)發(fā)射產(chǎn)生電子（高亮度、高相干性要求時(shí)采用場(chǎng)發(fā)射）；
4.2-3 級(jí)聚光鏡系統(tǒng)可調(diào)節(jié)樣品的電子照明區(qū)域；
5.電子束穿過(guò) 5-100 nm 薄樣品后，其強(qiáng)度分布通過(guò) 3-4 級(jí)透鏡系統(tǒng)成像于熒光屏。
二、TEM 儀器結(jié)構(gòu)
核心部件
燈絲、陽(yáng)極、韋氏筒、電子槍偏轉(zhuǎn)線圈、聚光鏡 1、聚光鏡 2、聚光鏡消像散器、聚光鏡光闌、搖擺線圈、對(duì)中線圈、掃描線圈、物鏡消像散器、樣品、物鏡、物鏡光闌、選區(qū)衍射光闌、中間鏡 1、中間鏡 2、投影鏡、快門(mén)、熒光屏 / 曝光計(jì)、相機(jī)。
核心部件工作原理
1.電子槍?zhuān)号c掃描電子顯微鏡的電子槍原理相似，電子經(jīng)陽(yáng)極小孔射出，形成發(fā)散電子束。
2.電子槍偏轉(zhuǎn)線圈：將電子束偏折至光軸上。
3.一級(jí)聚光鏡：將電子束聚焦為尺寸小于 1 微米的光點(diǎn)。
4.二級(jí)聚光鏡：將電子束投射到樣品上，同時(shí)控制樣品的照明區(qū)域和電子束的會(huì)聚角；二級(jí)聚光鏡可采用過(guò)聚焦模式（如模式 b），以獲得更高的空間分辨率。
聚焦模式（模式 a）下，分辨率由光闌尺寸決定，因?yàn)楣怅@尺寸會(huì)影響電子束的半會(huì)聚角 α_c；
過(guò)聚焦模式（模式 b）下，樣品上的同一區(qū)域 R 僅接收來(lái)自交叉點(diǎn)的電子，該位置的電子束直徑遠(yuǎn)小于聚光鏡光闌，因此半會(huì)聚角 α_c 會(huì)減小。
5.聚光鏡光闌：位于二級(jí)聚光鏡下方，用于控制樣品表面的照明強(qiáng)度。
6.聚光鏡消像散器：校正像散現(xiàn)象。
7.搖擺線圈：作為聚焦輔助裝置。
8.對(duì)中線圈：共兩組，用于將電子束精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)樣品附近關(guān)鍵區(qū)域的光軸。
9.物鏡區(qū)域：樣品、物鏡光闌和物鏡消像散器線圈均置于物鏡繞組的狹小空間內(nèi)；物鏡對(duì)樣品進(jìn)行聚焦，并形成 50 倍放大的中間像。
物鏡的后焦面會(huì)形成衍射花樣，沿特定方向從樣品出射的所有平行電子束，都會(huì)在衍射花樣的某一點(diǎn)匯聚（如圖 a）；
在物鏡后焦面插入物鏡光闌，可將衍射電子從成像中剔除，形成明場(chǎng)成像模式（如圖 b）；
明場(chǎng)襯度的形成原因主要有兩種：一是物鏡光闌遮擋了大角度散射的電子（散射襯度），二是成像點(diǎn)處的散射波與入射波發(fā)生干涉（相位襯度）；
暗場(chǎng)成像模式可通過(guò)偏移物鏡光闌或傾斜電子束實(shí)現(xiàn)。
10.選區(qū)衍射光闌：置于一級(jí)中間像平面，可選取樣品上 0.1-1 微米的特定區(qū)域，進(jìn)行形貌觀察或電子衍射分析。
11.中間鏡與投影鏡：位于選區(qū)衍射光闌下方，作用是將樣品的圖像或衍射花樣進(jìn)一步放大，并投射到熒光屏上。
12.快門(mén)與相機(jī)：安裝在熒光屏下方，用于控制成像曝光和記錄圖像。
三、TEM 襯度類(lèi)型
1.質(zhì)量厚度襯度（散射襯度）；
2.衍射襯度：用于晶格缺陷成像、晶體取向測(cè)定、晶面間距測(cè)量；
3.相位襯度：利用電子波的干涉效應(yīng)形成。
四、TEM 主要操作 / 成像模式
1.明場(chǎng)模式（BF）：僅允許直射電子束通過(guò)物鏡光闌；
2.暗場(chǎng)模式（DF）：允許一束 / 多束衍射電子束通過(guò)物鏡光闌；可通過(guò)傾斜電子束減少軸外像差、校正 DF 圖像不對(duì)稱性；
3.選區(qū)電子衍射（SAED）：標(biāo)準(zhǔn)衍射模式，通過(guò)一級(jí)中間像平面 0.1-1 µm 光闌選取微小區(qū)域衍射分析；
4.高分辨透射電鏡（HRTEM）：采用大尺寸物鏡光闌，使直射束與衍射束同時(shí)通過(guò)并干涉成像；通過(guò)相位襯度獲得晶格結(jié)構(gòu)信息。
五、TEM 其他操作 / 成像模式
（一）化學(xué)分析技術(shù)
1.能量色散 X 射線光譜儀（EDS）：原理與 SEM-EDS 一致；
2.電子能量損失譜儀（EELS）
3.
1.利用能量過(guò)濾和光譜儀實(shí)現(xiàn)能量分辨成像；
2.吸收峰精細(xì)結(jié)構(gòu)反映化學(xué)鍵態(tài)、局域電子態(tài)差異；
3.零損失過(guò)濾技術(shù)可消除非彈性散射電子對(duì)成像的影響；
4.應(yīng)用實(shí)例：Cu-Al?O?界面 HRTEM 分析，界面 Cu 原子 L 邊吸收峰向高能量損失偏移 1.8 eV，與 CuAl?光譜特征一致，表明其電子結(jié)構(gòu)和環(huán)境與 CuAl?中 Cu 原子相近。
（二）其他電子衍射模式
1.微區(qū)衍射：結(jié)合搖擺電子束與納米級(jí)電子探針（如 STEM），如會(huì)聚束電子衍射（CBED），探針尺寸數(shù)納米；
2.電子譜學(xué)衍射（ESD）：對(duì)衍射花樣能量過(guò)濾，降低非彈性散射背景，研究不同能量損失電子對(duì)衍射花樣的貢獻(xiàn)。
（三）特殊成像模式
1.洛倫茲顯微鏡：相位襯度成像技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)鐵磁疇磁場(chǎng)引起的電子波相位偏移，實(shí)現(xiàn)磁性材料成像；
2.原位 TEM：直接觀察納米尺度動(dòng)態(tài)過(guò)程，如熱誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu) / 相變。
六、TEM 分辨率
1.與 SEM 類(lèi)似，磁透鏡缺陷導(dǎo)致分辨率受球差限制（球差由電子焦距隨散射角變化引起）；
2.結(jié)構(gòu)成像分辨率為謝爾策分辨率（圖像可直接反映樣品投影結(jié)構(gòu)），計(jì)算公式：
3.dmin=0.43(Csλ3)1/4
4.其中：dmin= 可分辨最小特征尺寸；Cs= 球差系數(shù)；λ= 電子波長(zhǎng)。
七、掃描透射電子顯微鏡（STEM）
1.與傳統(tǒng) TEM 的區(qū)別：傳統(tǒng) TEM 同時(shí)照明樣品整個(gè)成像區(qū)域，STEM 以 1-5 nm 直徑電子探針光柵掃描方式逐點(diǎn)照射樣品（與 SEM 相似）；
2.電子探針形成：利用物鏡前場(chǎng)作為附加聚光鏡，獲得微小探針尺寸；
3.配套探測(cè)器：硅鋰 X 射線探測(cè)器、二次電子（SE）探測(cè)器、背散射電子（BSE）探測(cè)器、STEM 專(zhuān)用探測(cè)器，可檢測(cè) X 射線、SE、BSE、透射電子。
八、TEM 樣品制備
基本要求
1.為實(shí)現(xiàn) 100-200 kV 電子束穿透，樣品厚度需減薄至 < 100 nm；
2.減薄后樣品的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、缺陷分布需與原始?jí)K體材料一致；
3.樣品需平整、無(wú)彎曲、具備足夠機(jī)械強(qiáng)度，便于操作。
制備方法及步驟
常規(guī)方法核心步驟
薄片 / 圓片初制備 → 機(jī)械研磨 / 拋光 + 凹坑制備 → 離子減?。ㄟM(jìn)一步減?。?/span>
其他制備方法
1.聚焦離子束（FIB）截面切割法：適用于半導(dǎo)體器件微納結(jié)構(gòu)截面制備；
2.超薄切片法：采用玻璃 / 金剛石刀切割 30-100 nm 薄片，適用于生物樣品、高分子材料。
半導(dǎo)體樣品的詳細(xì)制備步驟（以 2 英寸晶圓為例）
1.切割與粘合：切割為 2×2.8 mm 樣品片；按 1 份固化劑 + 10 份環(huán)氧樹(shù)脂調(diào)配膠黏劑，4 片樣品堆疊粘合（中間 2 片面對(duì)面，兩端加襯底樣品支撐），整體高度不超過(guò)銅環(huán)直徑；
2.固化：130℃加熱板固化約 1 小時(shí)，樣品堆加壓并罩燒杯恒溫；
3.固定與研磨：130℃加熱不銹鋼棒并涂蠟，將樣品堆固定于棒中心，冷卻后手動(dòng)研磨修平一個(gè)表面；
4.銅環(huán)固定：50 μm 銅環(huán)粗糙面點(diǎn) 2 滴環(huán)氧樹(shù)脂，樣品堆居中放置（不超出銅環(huán)），置于聚四氟乙烯塊上 130℃固化 1 小時(shí)；
5.機(jī)械減?。貉心C(jī)將厚度從～2000 μm 減至 150 μm（千分尺測(cè)量）；轉(zhuǎn)移至透明棒，凹坑儀減薄至～70 μm；
6.離子減薄：取下樣品并裝載至離子減薄儀專(zhuān)用夾具，離子銑削至樣品中心穿孔（顯微鏡下中心出現(xiàn)白光即為合格）。
關(guān)鍵減薄工藝
1.離子減?。x子束薄化）：惰性氣體離子束轟擊凹坑樣品，通過(guò)濺射剝離表面原子
1.步驟 1：凹坑面朝上，5° 角銑削；
2.步驟 2：翻轉(zhuǎn)樣品，平面朝上，1° 角繼續(xù)銑削；
2.FIB 截面切割：先劃片機(jī)機(jī)械切割，再 FIB 系統(tǒng)精細(xì)刻蝕，制備 < 100 nm 截面樣品，適用于半導(dǎo)體器件表面、鈍化層等微區(qū)分析（原始晶圓厚度約 300 μm）。
九、TEM 應(yīng)用實(shí)例
1.高 K 隧穿介質(zhì)（Si?N?/HfO?）鍺納米晶存儲(chǔ)器截面 TEM（明場(chǎng)像）：清晰觀察到 Ge 納米晶、HfO?、Si?N?、Si 襯底的多層結(jié)構(gòu)，Ge 納米晶尺寸約 5 nm；
2.氧化物基質(zhì)中鍺納米晶平面 TEM 分析
3.-明場(chǎng)像：觀察到 Ge 納米晶分布，尺寸約 20 nm；-SAED 花樣：呈現(xiàn) Ge 納米晶特征衍射峰，確定晶體結(jié)構(gòu)；-HRTEM 像：清晰觀察到單個(gè) Ge 納米晶的晶格條紋，反映晶體取向與晶格完整性。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
