1.前言
隨著納米科學技術的不斷發展以及傳統物理學、材料學的不斷完善，人們亟需更加深刻地認識、了解微觀世界。透射電子顯微鏡是研究物質微觀世界的強有力工具之一，它可以幫助人們取得高放大倍率、高空間分辨率的結構信息和化學組成。
透射電鏡早期的發展步伐是較慢的，但從1980年代中后期，特別是進入1990年代后期，電鏡的發展進入了一個快速發展的時期。這主要得益于電子技術、真空技術、計算機技術等的飛躍式發展。現代透射電鏡盡管其基本組成結構、基本工作原理未發生本質上大的變革，但其主機系統各組成部分的穩定性大大提高，因而現代電鏡的綜合穩定性較早期的電鏡好很多。再結合新的計算機技術，透射電鏡的控制和操作變為全數字化、全電腦控制，現代電鏡的性能得以顯著提高。這一點體現在：得到一張高分辨透射照片現在非常容易;在材料分析中，電鏡主機和能譜儀等分析性附件可以十分方便地相互配合。透射電鏡在材料科學中應用越來越廣泛。
2.透鏡的特點及應用
2.1組成與原理
現代透射電子顯微鏡是由電鏡主機以及各種附件的有機組合。其中，主機部分由電子槍、鏡筒、樣品臺、照相系統、高壓系統、真空系統及電鏡控制系統等核心部分組成。現代透射電鏡根據應用要求不同，將最高加速電壓設計為120kV、200kV和300kV，這三種高壓是材料研究中最常用的。鏡筒中最核心的部分是物鏡，根據應用要求可以選擇不同的物鏡。
透射電鏡的基本工作原理是：以電子束作為光源，用電磁透鏡對入射電子所穿透的樣品聚焦成像，獲得樣品結構信息。據此，透射電鏡首先作為一個放大鏡和電子衍射儀。從放大鏡的角度來看，在較低的放大倍數時，主要觀察樣品的形貌，在高倍時可以得到高分辨照片，不同情況下需要用不同的襯度原理來解釋，這往往需要非常專業的電子光學知識。由于透射電鏡上得到的高分辨照片往往受到各種因素，比如物鏡的球差、樣品的厚度不均一性等的影響，對高分辨照片的解釋有時是很困難的。這就要求分析者必須結合透射電鏡的分析功能來輔助分析和判斷。現代透射電鏡除了在高分辨性能上著力發展外，在分析能力上也表現出了傳統透射電鏡不可比擬的優越性能，因此，對新材料的研發起著不可替代作用。
2.2特點
透射電鏡以電子束作為光源，用電磁透鏡對入射電子所穿透的樣品聚焦成像，獲得樣品結構信息的電子光學儀器。眾所周知，圖像觀察、結構研究等各種基本功能都是由透射電鏡的主機提供的。然而，一些功能的實現要靠電鏡主機與附件之間的有機配合來完成的。如，微區的成分分析就需要EDS附件和電鏡的納米束斑模式進行配合才可以實現。在高度數字化的今天，CCD相機在很多時候可以代替膠片采集透射電子信號進行數字成像及完成一些簡單的圖像分析功能，也成為了透射電鏡不可或缺的主要附件之一。再者由于透射電鏡只能對直徑為3毫米、厚度在100納米以下的樣品進行較好的分析研究，因此一些附屬制樣設備也是必須的，特別是對研究一些塊狀的材料。
作為一臺現代電鏡，除了要求儀器有良好的分辨本領外，其分析功能則更加受到使用者青睞，并在實際工作中更為實用。特別是對于鋼鐵企業來說，分析晶界、沉淀相的成份及含量是工作中需要經常處理的任務。現代透射電鏡在提供高分辨率圖像的同時，還能與EDS及CCD附件同時采集數據，在提供TEM及STEM像時，同時可以根據需要給出成份組成及含量的分析數據。并實時顯示在顯示器上，同步進行，是完全準確的一一對應關系，直觀高效。
一般來講，材料科學用戶多選擇200kV以上(含200kV)的電鏡，他們追求圖像的分辨率和納米尺度的成分、晶體結構分析(加速電壓越高、分辨率越好);生命科學用戶多選擇100kV、120kV的透射電鏡，他們更看重或追求圖像的襯度(加速電壓越低、襯度越好)。但研究領域不同，也不能一概而論。
場發射透射電鏡與六硼化鑭型透射電鏡的比較，場發射透射電鏡的分辨率沒有提高(因為球差系數沒有變化)，優點是亮度高(場發射槍的亮度是六硼化鑭槍的100倍，鎢燈絲槍的1000倍)、電子的能量發散度小和相干性好。
空間分辨率高(亮度)是場發射透射電鏡的突出優點，利用場發射槍高亮度的特點，可進行高空間分辨率的觀察，即在很小的束斑尺寸下(例如：束斑尺寸為0.5nm時)，進行晶體結構(微微電子衍射)和成分分析，納米材料、材料的界面和表面(通常尺度很小)是當前材料科學研究的熱點，場發射透射電鏡高空間分辨率的特點正好滿足了材料工作者的需求，這也是近年來透射電鏡需求旺盛的原因之一;需要指出的是，盡管場發射透射電鏡的空間分辨率優于六硼化鑭型透射電鏡，但他們的圖像分辨率(區分開兩點之間的最小距離)卻是相同的，圖像的分辨率主要與加速電壓和物鏡的球差系數有關，目前，同一個加速電壓下，場發射電鏡和六硼化鑭電鏡的球差系數相同，因而圖像的分辨率也相同。
場發射透射電鏡的另外一個特點就是，可以與許多分析系統配合使用，如能譜儀系統(EDS)、能量損失譜系統(EELS)、能量過濾系統(Energy
Filter System)、HAADF(High Angle Annual Dark
Field)分析系統等等，因此，整個系統相對龐大一些;對于六硼化鑭電鏡，原則上，我們不太推薦能量損失譜系統(EELS)、能量過濾系統(Energy Filter
System)、HAADF(High Angle Annual Dark Field)分析系統，一般只配備能譜儀系統(EDS)。
2.3鋼鐵方面應用
現代透射電鏡能在原子和分子尺度直接觀察材料的內部結構(高分辨像);在對復雜成分材料開展形貌觀察的同時，進行原位化學成分及相結構的測定與分析;也可以對結構復雜的金屬等傳統材料進行形貌觀察、測定成分(定性定量分析)、微相表征、結構鑒定等多功能對照分析;還可以將圖象觀察、高分辨研究，EDS微區成分分析、會聚束衍射、選區電子衍射，衍襯分析等各種方法綜合應用在具體研究中。
對于利用傳統電子顯微學方法對鋼鐵領域中問題的研究，如利用電子衍射、衍襯、高分辨等顯微學方法進行的缺陷及結構的研究，現代透射電子顯微鏡都能滿足。除此外，現代透射電子顯微鏡能提供更高的TEM分辨率合STEM分辨率。特別是高分辨的STEM可以輕松得到可直接解釋的原子像。由于STEM的高分辨本領，使用者已經不需要高深的電子顯微學知識，即可給出像的解釋，因為STEM給出的是簡單的襯度像，它不象TEM像在其高分辨像中既包含有振幅襯度信息又包含相位襯度信息，需要進行復雜的數學計算來進行像的解釋。而且由于STEM像沒有相位襯度，對于鋼鐵企業經常涉及的分析晶界原子排列及沉淀相分析更是方便快捷。
隨著現代科學技術及工業水平的發展，對鋼鐵的性能也提出了更高的要求，使鋼鐵生產的工藝及摻雜也越來復雜。鋼鐵的很多性能都決定于納米或更小尺度范圍內物質結構、成分組成、摻雜元素的分布形式及狀態、晶粒大小及晶粒界面的具體結構等。對這些小尺度范圍內的物質結構、成份組成及分布進行鑒定和表征需求使得分析電子顯微學成為了鋼鐵中微結構分析的主要方法。傳統上，透射電鏡在鋼鐵材料中應用主要有：
(1)鋼鐵材料微觀組織形貌的觀察。例如，基于對合金元素在熱機械加工中的作用、變化及熱加工對組織影響規律的認識，可以更深入理解材料的性能;(2)位錯、各種缺陷的觀察(3)析出相的觀察，形態、大小、分布，并結合能譜進行成分分析;(4)電子衍射進行微區的取向、晶體結構分析，并結合能譜進行成分分析;(5)相界面的觀察和分析。
3磁屏蔽技術
鋼鐵企業的輸配電所產生的磁場一般稱為低頻磁場，低頻磁場對電子顯微鏡等精密儀器有強烈的干擾。濟鋼技術中心08年引進的FEI 公司 “TECNAI G2
F30S-TWIN”型號的場發射透射電鏡。因為透射電鏡實驗室的電磁場超標，需要進行電磁屏蔽技術來達到要求。
眾所周知，低頻電磁屏蔽與一般的電磁屏蔽不同，使用銅網或者銅板是完全無效的，必須采用具有一定厚度的鋼板等高導磁材料，按照特殊的施工要求，才能保證達到滿意的效果。減小低頻電磁干擾的有效方法是采用低頻電磁屏蔽。
低頻電磁屏蔽就是依據磁路并聯旁路分流的屏蔽理論，通過采用高導磁材料(如低碳鋼板)提供磁旁路來降低屏蔽室內部的磁通密度，同時盡量增大渦流損耗，使一部分能量轉化為熱能消耗。
目前國內能進行透鏡低頻電磁屏蔽施工的單位并不多，經過考察，濟鋼透鏡實驗室的電磁屏蔽是由安徽建永公司完成，該低頻磁屏蔽安裝工程一次通過FEI公司的驗收，無需任何整改，其技術達到了國內領先水平。
4.結束語
透射電子顯微鏡是唯一的一種能同時觀察空間頻率空間(倒易空間) 和真實空間的儀器，是研究物質微觀世界的強有力工具之一，它可以巧妙地把空間頻率空間
(倒易空間) 和真實空間相對應或結合，來揭示宏觀現象與介觀和微觀(原子尺度)
結構及組織間的關系，它是研究鋼鐵材料、納米等材料科學方面不可缺少的工具，其作用越來越重要。
作者簡介：夏茂森(1967—)，男，漢族，山東臨沂人，碩士，高級工程師，現為濟鋼技術中心中試基地主任，山東省理化分析測試協會理事，山東測試分析學會電鏡專業委員會副主任委員。
