穿透式電子顯微鏡(TEM)原理及構造

如同光學顯微鏡一樣，在穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscopy ；TEM)中，一束電子束穿過數組透鏡，對插入 TEM 中試片產 生放大的影像，此影像可由投射的屏幕上可觀察到。但是由於電子束很容 易受到空氣中分子的散設而造成能量損失，所以 TEM 腔體必須維持在高真 空下。除此之外，TEM 不能像光學顯微鏡一樣利用一般玻璃透鏡來作聚焦，

而需以電磁透鏡來作聚焦。但與光學顯微鏡相同的是，透鏡不同的條件均 會影響最後成像的品質，如透鏡的像差對解析度有極大的影響。不過在 TEM 中，透鏡像差及放大倍率可藉由調整聚焦透鏡的電流來達成。由於 TEM 具 有數組聚焦透鏡，大多數的 TEM 均以電腦來控制聚焦及校正等複雜功能。

由於電子波長較短，故 TEM 比利用可見光或紫外光當光源之顯微鏡更能觀 察到細微組織，TEM 之解析度可達 0.1 nm。當電子束穿過試片後，在物鏡 之後聚焦平面(back focal plane)形成繞射，再由底片將之記錄下來作分析。

圖 3-15為 TEM 構造之簡圖。

TEM 成像系統

a. 擇區繞射 (Selected-area diffraction，SAD)

一般電子繞射圖(diffraction pattern；DP)，是將電子束照射在試片上所 產生之繞射資訊收集起來，但此種 DP 對結構分析幫助並不大，因為電子束 可能一次照射到多種結構、材料。因此我們使用一項 TEM 中基本的功能，

一次只選擇某特定微小的區域，當作電子繞射來源形成 DP。此功能稱為 SAD，對於分析位於 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖之內層纖衣之奈米大小的結晶顆粒 特別有用。為了選擇試片上一特定區域來作電子繞射，並減少DP 投射於屏 幕的強度，有兩種方法可以達成減少電子束照射範圍並產生電子繞射。一 種是利用收斂電子束(convergent beam)的方法，得到直徑較小的電子束。但 此方法會大大降低電子束的平行度，使得所要觀察的繞射點變為模糊，第 二種方法是使用一個光圈來達成。若我們插入一個SAD 光圈於試片之共軛 平面，則相當於直接在試片上產生一個虛擬光圈來圈選要特定分析區域。

如圖 3-16，多餘的電子束均會被SAD 光圈外圍擋住，此功能即為 SAD。

圖3-16 SAD 電子繞射原理[10]

b. 明場(bright-field，BF)、暗場(dark-field，DF)

要選擇何種電子作為成像來源時，可在物鏡的後聚焦平面上插入一個光

圈。如圖 3-17(a)所示，當我們用此光圈只圈選入射電子束時，此種電子成

像稱為 BF；如圖3-17(b)所示，當光圈只圈選其中一束散射電子束時，此種 電子成像稱為 DF。

(a) (b) 圖 3-17 (a) BF 與 (b) DF 之成像原理[10]

c. EDX 基本原理

EDX 是所有 X-ray 光譜儀中，唯一搭配 TEM 所使用的儀器。EDX 於 1960 年代末期被開發出來用於元素鑑定分析上，到了1970 年代中期，EDX 開始 安裝於 TEM 上，爾後更被廣泛地應用於其他有關電子束的儀器上，例如掃 描式電子顯微鏡(scanning electron microscopy；SEM)。EDX 包含了許多有

關半導體方面的技術，由於具有輕巧、靈敏、有效率、易於操作等特性，

在數分鐘之內，便可得到關於任一種複雜結構的元素之定性分析。雖然波 長能量散射儀(wavelength dispersive spectrometer；WDS)比 EDX 有較好的空 間解析度，但其收集訊號的效率及儀器本身的穩定性則較 EDX 差，也就是 說，介於元素自 Na 至 U，EDX 可以同時提供這些元素較佳之訊號收集效 率。此外，由於 TEM 腔體內包含了試片座與數組電磁聚焦透鏡，而使得剩 餘空間有限，故 EDX 比 WDS 更適於與 TEM 搭配應用，圖3-18為EDX 與 TEM 搭配使用的情形。

圖3-18 EDX (如箭頭標示)附加於 AEM (FE-2000, Hitachi)上[60]