透射TEM 新手入門：快速掌握核心技能

目錄

簡介?

一、TEM 基本知識

1. 核心原理（理解圖像本質）?

2. 關鍵結構與成像模式（對應圖像類型）?

二、TEM 數據處理

1. 預處理（通用步驟）?

2. 衍射花樣（SAED）處理（金屬材料核心）?

3. HRTEM 圖像處理?

4. STEM 圖像處理?

三、金屬材料 TEM 內容分析

1. 顯微組織分析?

2. 晶體結構分析?

3. 界面 / 析出相分析?

四、必備工具與注意事項?

1. 核心軟件（操作要點）?

2. 避坑指南?

參考學習鏈接

簡介?

透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）在材料學研究中是不可或缺的 “利器”，它能幫助我們窺探材料的微觀世界，了解其組織結構與性能的關聯。但對于剛接觸 TEM 的材料學新手來說，往往會被其復雜的原理和操作所困擾。別擔心，本篇博客將為你梳理 TEM 的核心知識，幫助你快速上手 TEM 圖像的數據處理和內容分析，輕松邁入 TEM 研究的大門。?

一、TEM 基本知識

1. 核心原理（理解圖像本質）?

電子束就像一把 “探針”，當它與材料相互作用時，會發生彈性散射和非彈性散射。彈性散射是成像和衍射的關鍵，就好比光線遇到鏡面反射一樣，電子束的方向改變但能量不變，這讓我們能得到清晰的圖像和衍射花樣；非彈性散射則會產生襯度和 EDS 信號，襯度能讓我們區分材料的不同區域，EDS 信號就像材料的 “身份證”，能告訴我們材料里含有哪些元素。?

在分辨率方面，空間分辨率在金屬材料中大概是 0.1-0.2nm，這取決于設備的性能，它決定了我們能看到多小的細節；衍射分辨率則關系到晶面間距測量的精度，這對于分析晶體結構很重要。?

2. 關鍵結構與成像模式（對應圖像類型）?

TEM 的結構就像一條精密的 “電子通道”：電子槍是電子的 “發源地”，產生電子束；聚光鏡負責把電子束聚焦，讓它更集中；樣品室是放置金屬薄片樣品的地方，我們要研究的材料就在這里接受電子束的 “探測”；物鏡是成像的核心，它的性能直接決定了圖像的分辨率；中間鏡和投影鏡則起到放大作用，把微小的結構放大到我們能看清的程度；最后由探測器記錄下圖像和衍射花樣。?

對于金屬材料，常用的成像模式有以下幾種：?

  • 明場像（BF）：能呈現質厚襯度和衍射襯度，就像我們用普通相機拍照一樣，能看到晶粒、缺陷等結構。?
  • 暗場像（DF）：可以強化特定的相或缺陷，比如析出相、位錯等，讓它們在圖像中更明顯。?
  • 選區電子衍射（SAED）：這是分析晶體結構和取向的核心，它能產生獨特的衍射斑點，就像晶體的 “指紋”。?
  • 高分辨 TEM（HRTEM）：能看到原子排列和晶格條紋，讓我們能觀察到界面、納米相等細微結構。?
  • STEM（掃描透射）：其 HAADF 像具有原子序數襯度，重元素在圖像中會更亮，就像用不同顏色標記了不同元素。?

從左往右依次是明場像、暗場像、中心暗場像的成像原理圖

二、TEM 數據處理

1. 預處理（通用步驟）?

  • 降噪：高斯濾波就像給圖像 “磨皮”，能模糊噪聲但保留大結構；中值濾波則擅長去除斑點噪聲，對于有顆粒、缺陷的圖像很適用。?
  • 襯度調整：直方圖均衡化能增強弱襯度，比如一些不明顯的界面，經過調整后能看得更清晰。?
  • 畸變校正：校準標尺很重要，我們可以用標樣如金顆粒、硅單晶的衍射來標定，確保測量數據的準確性。?

2. 衍射花樣（SAED）處理（金屬材料核心）?

  • 標定步驟：?

????????① 先測量衍射斑點間距（R），然后根據公式 d=K/R（K 為相機常數，設備會提供）計算晶面間距。?

????????② 測量斑點之間的夾角，再對應查找晶面夾角，可以查 PDF 卡片或用晶體學公式計算。?

????????③ 結合金屬相結構，比如面心立方（FCC）、體心立方（BCC），來確定物相。?

TEM衍射花樣標定流程圖

  • 軟件：Digital Micrograph（DM）能自動測量 R 和角度，非常方便；JEMS 可以模擬衍射花樣，我們可以把模擬結果和實驗結果對比，輔助確定物相。?

3. HRTEM 圖像處理?

傅里葉變換（FFT）能把晶格條紋轉化為衍射斑點，讓我們快速判斷晶面間距；逆傅里葉變換（IFFT）則可以過濾噪聲，保留特定的晶面條紋，比如界面處的匹配晶格。?

4. STEM 圖像處理?

在 HAADF 像中，我們可以用 ImageJ 測量顆粒尺寸，做粒徑分布統計；通過襯度分析還能判斷成分差異，比如富 Cr 析出相通常會更亮。?

三、金屬材料 TEM 內容分析

1. 顯微組織分析?

  • 晶粒：用 ImageJ 測量晶粒尺寸，一般用等效圓直徑來表示，還可以做統計分布，畫出柱狀圖；通過 BF/DF 像能判斷晶粒形態，是等軸的還是柱狀的。?
  • 相鑒定：結合 SAED 標定結果和 EDS 成分分析，能確定析出相，比如鋼中的 Fe3C、鋁合金中的 Mg2Si。?
  • 缺陷識別：?
    • 位錯在 BF 像中是暗線，有刃型和螺型之分，用 DF 像可以讓它更明顯；在 SAED 中，菊池線彎曲說明存在應變場。?
    • 孿晶在 HRTEM 中呈現交替的晶格條紋，比如 FCC 金屬孿晶界會有鏡像對稱的特征。?
      ?

2. 晶體結構分析?

  • 晶格常數：通過測量 HRTEM 條紋間距（d 值），再根據公式計算，比如 FCC 中 a=d√(h2+k2+l2)。?
  • 取向關系：SAED 花樣中如果有兩組衍射斑點，分別對應基體和析出相，我們可以計算它們的取向差，比如 [111] 基體 //[111] 析出相。?

3. 界面 / 析出相分析?

  • 界面結構：用 HRTEM 觀察原子排列，能判斷界面是共格、半共格還是非共格的，比如鋁合金中 GP 區與基體就是共格的。?
  • 析出相：STEM-HAADF 像能確定析出相的分布，包括尺寸和密度；SAED 能確定其結構；EDS 則能確定其成分。?

四、必備工具與注意事項?

1. 核心軟件（操作要點）?

  • DigitalMicrograph（DM）：能進行基礎處理，如裁剪、測量、FFT 等，在 SAED 標定方面，它自帶標尺和角度工具，很好用。?
  • ImageJ：用于顆粒尺寸統計，操作是 “分析→測量”；還能進行襯度調整，在 “圖像→調整” 里操作。?
  • JEMS：輸入晶體結構參數后，能模擬衍射花樣，方便我們和實驗結果對比。?

2. 避坑指南?

  • 樣品影響：金屬薄片厚度過厚會導致衍射斑點模糊，所以要把薄片減薄到 100nm 以下。?
  • 成像條件：HRTEM 如果欠焦或過焦，條紋襯度會反轉，所以要校準聚焦，以無襯度線為準。?
  • 多手段驗證：用 SAED 鑒定物相時，要結合 EDS 成分，比如在 Fe-Ni 合金中，FCC 結構可能是奧氏體或 Ni3Fe，這時候就需要 EDS 確認 Ni 的含量來區分。?

參考學習鏈接

一文了解透射電鏡（TEM）知識重點（動圖演示）

你要掌握的透射電鏡(TEM)的基礎知識 - 知乎

TEM數據處理的基本原理與應用 - 素雅技術服務

本系列后續會持續更新TEM圖像分析及數據處理軟件的常規操作哦！

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