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透射電子顯微鏡(TEM)，簡稱透射電鏡，是把經加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產生立體角散射，在散射角大小和樣品密度、厚度的影響下，形成明暗不同的影像影像將在放大、聚焦后在成像器件上顯示出來。透射電子顯微鏡的分辨率比光學顯微鏡高的很多，可以用于觀察樣品的精細結構，甚至可以用于觀察僅僅一列原子的結構，比光學顯微鏡所能夠觀察到的最小的結構小數千倍。
透射電子顯微鏡的成像原理可分為三種情況：
1、吸收像：當電子射到質量、密度大的樣品時，主要的成相作用是散射作用。樣品上質量厚度大的地方對電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理。
2、衍射像：電子束被樣品衍射后，樣品不同位置的衍射波振幅分布對應于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當出現晶體缺陷時，缺陷部分的衍射能力與完整區域不同，從而使衍射波的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。
3、相位像：當樣品薄至100Å以下時，電子可以穿過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自于相位的變化。
TEM系統由以下幾部分組成：
1、電子槍：發射電子，由陰極、柵極、陽極組成。陰極管發射的電子通過柵極上的小孔形成射線束，經陽極電壓加速后射向聚光鏡，起到對電子束加速、加壓的作用。
2、聚光鏡：將電子束聚集，可用已控制照明強度和孔徑角。
3、樣品室：放置待觀察的樣品，并裝有傾轉臺，用以改變試樣的角度，還有裝配加熱、冷卻等設備。
4、物鏡：為放大率很高的短距透鏡，作用是放大電子像。物鏡是決定透射電子顯微鏡分辨能力和成像質量的關鍵。
5、中間鏡：為可變倍的弱透鏡，作用是對電子像進行二次放大。通過調節中間鏡的電流，可選擇物體的像或電子衍射圖來進行放大。
6、透射鏡：為高倍的強透鏡，用來放大中間像后在熒光屏上成像。此外還有二級真空泵來對樣品室抽真空、照相裝置用以記錄影像。
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