关于透射电镜（TEM）你了解多少？

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是将经过加速及聚集后的电子束透射至很薄的试样上，电子撞击试样中原子并改变其方向，形成立体角散射。散射角与试样密度和厚度有关，故可形成明暗不等的图像，图像经放大和聚焦后显示于成像器件（例如荧光屏、胶片和感光耦合组件等）的显微镜。

背景知识

光学显微镜下不能看到0.2微米以下的细微结构，即所谓亚显微结构或者超细结构。为了清晰地观察到这些构造，需要选用较短波长光源来提高显微镜分辨率。1932年Ruska发明了用电子束作光源的透射电子显微镜，电子束的波长远短于可见光和紫外光，电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，即电压越高，波长越短。TEM的分辨力现在高达0.2纳米。

⭐电子束与样品之间的相互作用图

透射的电子束包含有电子强度、相位以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。

TEM系统组件

TEM系统主要包括如下几个部分：·电子枪：用于发射电子。它包括阴极、栅极、阳极。阴极管出射电子经过栅极小孔产生射线束并在阳极电压下加速后入射到聚光镜中，起着加速电子束、加压电子束作用。

· 聚光镜：将电子束聚集得到平行光源。· 样品杆：装载需观察的样品。· 物镜：聚焦成像，一次放大。· 中间镜：二次放大，并控制成像模式（图像模式或者电子衍射模式）。· 投影镜：三次放大。· 荧光屏：将电子信号转化为可见光，供操作者观察。· CCD相机：电荷耦合元件，将光学影像转化为数字信号。

⭐透射电镜基本构造示意图

基本原理

透射电子显微镜主要将加速聚焦后的电子束投影在特别薄的试样上，电子与试样中原子发生碰撞，使其改变方向，形成立体角散射。散射角大小与样品密度，厚度有关，因此会形成亮暗不一的图像，图像经过放大，聚焦之后会呈现于成像器件中。

⭐透射电镜原理图

样品制备

制样要求：

TEM样品的制备在材料科学研究中，电子显微学的研究工作中，占有重要地位，它是一项很细致的技术工作。为了获得良好的TEM结果必须先制备出良好的薄膜样品，TEM样品的制备对于电子显微学的研究具有十分重要的意义。传统常规的制备方法有多种，如：化学减薄，电解双喷，解理，超薄切片，粉碎研磨，FIB聚焦离子束机械减薄和离子减薄等，均可制备出良好的薄膜样品。当前新材料发展迅速，对样品制备有较高要求。样品制备发展方向应以制备时间短、电子穿透面积大、薄区厚度薄和高度局域减薄为主。TEM试样种类：·块状：普通微结构研究用平面：薄膜及表面附近微结构研究用横截面试样：均匀薄膜及界面微结构研究用小块物体：粉末，纤维，纳米量级材料

⭐透射样品制备工艺图

⭐截面样品制备工艺图

⭐粉末样品制备工艺图

应用

透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须制备更薄的超薄切片，通常为50～100纳米。所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。对于液体样品，通常是挂预处理过的铜网上进行观察。2022年9月，中国科学院地球化学研究所科研团队针对嫦娥五号月壤样品开展了研究，发现嫦娥五号矿物表层中存在大量的太阳风成因水，结合透射电镜与能谱分析，揭示了太阳风成因水的形成和保存主要受矿物的暴露时间、晶体结构和成分等影响。这一成果在国际学术期刊《自然·通讯》发表。

常见问题解析

为什么透射电镜没有颜色？

颜色是由光的颜色决定的，也就是电磁波的频率决定的，而电子显微镜的光不是自然光，而是电子束光源，所以显示不出来五彩斑斓的色彩。TEM可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2微米的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。电镜获得的图像是反映电子多少（即亮度）的“灰度图”，其中没有色彩信息。

· TEM和SEM的区别：

一束高能量入射电子轰击材料表面后，受激区域会出现二次电子，背散射电子和俄歇电子等特征X射线和透射电子及可见，紫外和红外光区电磁辐射等。扫描电镜收集二次电子和背散射电子的信息，透射电镜收集透射电子的信息。

SEM制样对于试样厚度无特殊要求，可通过切，磨，抛光或解理来呈现具体剖面，使之变为可观测表面；TEM所获得显微图像的品质强烈地取决于试样的厚度，所以试样的观测部位应很薄，通常在10~100纳米以内或更薄。

⭐SEM工作原理图

什么是衍射衬度？它与质厚衬度有什么区别？ 晶体试样在进行电镜观察时，由于各处晶体取向不同和（或）晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下表面处有不同的衍射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成的衬度称为衍射衬度。质厚衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，适用于对复型膜试样电子图像做出解释。

光纤通信传输原理详解

图2 光纤光缆（图片来源于网络）

所谓光纤，光导纤维的简称，是一种由玻璃或者其他材料制成的光波导。光能够在光纤中传输最基本的原理就是全反射。 众所周知，全反射是当光从光密介质（折射率相对较高）入射到光疏介质（折射率相对较低）时，光不再发射折射，全部反射到原介质中去。 光纤最基本且最重要的原理已经讲完了，要求纤芯折射率n1>n2，其次反射角θ大于全反射临界角，这样才能保证光能够在光纤中一直传输下去（注：这里讲的都是阶跃型折射率光纤，就是最普通的光纤）。

图3 光纤的基本结构

那么第一个问题来了， 是不是只要满足全反射这个条件的光都能在光纤中传导下去？答案：不是，还需要满足一个条件：相位匹配条件 。怎么又是相位，哎，没办法，只要涉及到光，涉及到干涉，必定出现相位匹配这个东西！上一期非线性光学中也提到过相位匹配，干涉条件里面也有一项要求是相位差恒定。好，接下来进入高能时间。

首先，光纤中的光传输要求满足全反射条件，即图4中θi角要大于全反射临界角，那么是否所有大于全反射临界角入射的光线都能传输，换句话说，入射角度是否和相位匹配条件有关？好，接下来我们分析图4。

图4 光纤传输相位匹配计算

图4中绿色和紫色的表示某一个角度的一系列平行光，蓝色虚线是等相面（与入射光垂直），我们要的相位匹配条件就是让这系列平行光满足同相位，也就是BC和EF光程差走过的相位差要是2π的倍数，根据公式2π/λ×光程差=相位差，我们得到了以下公式：

上式中为什么多减了2项，那是因为全反射的时候，并不是在界面处就直接反射，而是存在倏逝波，会有一定的深度，这是会引起一定的相位变化，这个相位变化大小与两种材料的折射率有关，是个固定值，所以需要把2次反射的相位差给减掉。然后再根据几何原理计算BC-EF用纤芯直径d和入射角θi表示，于是得到如下公式：

好，公式结束，如果你没看懂，这个不重要，重要的是我们得到了这个相位匹配条件跟什么有关系， 显然，如果光纤确定的情况下（直径d和折射率n），不同的m值，会对应不同的入射角θi，这就是我们所说的多模（式） ，而且这个入射角是离散的。

图5 光纤不同模式光斑分布图（图片来源于网络）

反推，如何实现单模光纤？根据上面公式，让光纤纤芯直径d在某一个范围内，使得m取值只能等于0，不能等于1，那么这根光纤就是单模光纤。 所以正常情况下，单模光纤的纤芯直径较小，在4~10 μm；多模光纤的纤芯直径较大，在50 μm以上 。

光纤特性

前面阐述了光纤的传输原理，接下来再介绍光纤最重要的2个特性。第一个：损耗，即衰减。为什么光纤通信最近几十年才发展起来，因为之前光在材料中损耗太严重，导致没太大的利用价值，直到高琨先生实现了光波损耗在20 dB/km以下的光通信要求。

好，第二个问题来了， 光在光纤中传输的损耗是由什么造成的？很简单，大部分人都能想的到，可以分为三类：吸收、散射以及弯曲。

吸收损耗，就是指材料对光的吸收。制造光纤的二氧化硅材料本身就吸收光，所以会造成一部分的损耗，其次杂质对光的吸收，例如一些有害的金属杂质铜、铁、铬、锰等，所以通过对光纤材料的提纯，可以大大减低光纤的吸收损耗。石英光纤中还有个重要的吸收源：氢氧根（OH-），我们知道水在红外波段有吸收峰，所以氢氧根对光纤的影响也非常大，而且不易被清除。例如，在1.39 μm波段，含量仅为万分之一的氢氧根吸收损耗能高达33 dB/km。

散射，在第8期：光的散射中详细介绍过，光纤中也会有散射，包括瑞利散射，强光下的非线性散射：拉曼散射、布里渊散射等。这是正常的材料散射，另外还有一种就是波段散射，即因为光纤结构的不完善引起的散射衰减，比如光纤熔接时候的散射、光纤本身材质不均匀、有气泡等。

第三种：弯曲。弯曲为什么会产生损耗？因为光在光纤中传输是基于全反射原理，如果弯曲过度会造成弯曲部分会因为不满足全反射角的条件导致一部分光透射到包层中去，从而造成一部分光的损失。

好，前面讲了光的损耗，接下来讲另外一个特性：色散。色散，顾名思义，颜色散开了，也就是不同波长（频率）的光传播速度不一致，导致跑得不一样快，脉冲就会展宽。

图6 材料色散图（图片来源于网络）

其实色散可以分为三种：材料色散、模式色散、波导色散。图5就是材料引起的色散；模式色散是指在不同模式情况下，光走过的路程长短是不一样的，因此到达终点的时间不一致，这也会引起色散；最后一种波导色散是指在同一个模式下，一部分光（与频率无关，所以不是材料色散）因为在纤芯和包层没发生全反射，而在包层和涂覆层之间反射全反射，所以导致这部分光通过了包层然后再回到纤芯中传播，所以与另一部分同频率的光只在纤芯中传播的传输距离不一致，从而导致了同频率光的色散。

光纤传感与通信

接下来，让我们从理论回到现实中吧。光纤最初的用途是用来通信的，所以现在我们来回答第三个问题：通常我们会说，人太帅拖网速，啊不，网速（10M，20M，50M等）有快有慢，那这网速到底指的是什么，由什么决定？

举个例子，10M的带宽，下载速度就是10Mbit/s，对应网速就是1.25MByte/s。所以如果要提高网速，其实就是要增加光纤的带宽。那带宽又是啥？很好理解，带宽就是频率带的宽度，也就是光在光纤中传输的时候，我们最基本的要求肯定是传输信号要正确的，不能误码，否则不就出错了嘛。但是由于色散特性的存在，不同频率的光跑得不一样快，所以在时域频带会展宽，这导致各码元之间会重叠，为了保证正确性，就需要加大码元之间的时间间隔，自然会降低容量。 所以，影响光纤带宽的因素是光纤的色散特性，光纤的色散愈小，光纤的带宽愈宽。

最后一个问题，光纤除了传输光信号，还能用来做啥？用来做传感，检测各种物理条件。小的时候，我经常在想，你把光缆全部埋在地底下或者海洋底下，如果某一点坏了，你怎么知道哪里坏了？

图7 光纤瑞利散射回波信号图

从图7可以看到，利用瑞利散射的特性，我们可以得到散射回来光信号的分布图，损耗是随着距离增大逐渐增加的，如果在某一处有跳变，说明这个地方损耗比较严重，应该是节点之类的。如果在某个节点彻底断了，没有回波信号，那么根据距离=速度*时间的原理，通过测得这个点回来信号的时间，就能大致计算出这个断点的位置。

另外，光纤所在的外部环境：压力或者温度都会对光纤的衰减产生一定的影响，所以就可以利用这一特性来检测外部环境条件。以分布式布里渊散射传感为例，众所周知，当在强光作用下光纤会产生非弹性散射，包括布里渊散射，而布里渊散射会受到压力和温度的影响。所以，我们根据布里渊频移的量，就能得到一个方程，关于压力和温度的二元一次方程。如果要解出这二个变量，我们还需要再来一个不相关的函数，否则谁知道压力和温度这二个量变化的贡献大小。恰好，瑞利散射强度也会随着压力和温度的变化而变化，而布里渊散射的强度刚好是瑞利散射强度的常数（理论证明是一个定值）倍，这样联立这2个方程组，我们就能解出压力和温度这2个未知数。

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