TEM 技術介紹
穿透式電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope, TEM）是一種強大的成像技術，利用高能電子束探測材料內部結構，解析度可達奈米甚至原子等級。在 TEM 中，電子束穿透超薄樣品，與材料發生交互作用，產生清晰的影像、繞射圖樣及光譜資訊。TEM 可用於研究晶體結構、缺陷、界面以及化學組成。由於其極高的空間解析度，TEM 被廣泛應用於材料科學、奈米技術、生物學以及半導體等領域。
電磁透鏡
圖 1(a) 顯示了一個薄光學透鏡，它是由兩個球面界面所構成的透明介質，透過光線折射來形成影像。本例中所示為一個凸透鏡：來自光軸上物點 O 的平行光線（光線 A）通過透鏡後折射，匯聚至焦點 F₁；而一條通過透鏡中心 C 的光線（光線 B）則不發生偏折，沿原方向直線前進。兩條光線在像側交於像點 I，其像距為 +v。物距為 −u，由透鏡的中心平面量測。此構型符合薄透鏡公式：
1/f = 1/v + 1/u
其中 f 為焦距。圖中作圖說明透鏡透過折射改變光路：平行入射光匯聚成像，所得到的像為實像且倒立。
圖 1(b) 則顯示了電磁透鏡（EM 透鏡），其透過螺線管所產生的磁場來聚焦電子束。在此，物點為靠近 A 的電子點源，螺線管在軸線上產生磁場，磁力線繞線圈呈環形分布。當帶電粒子（如電子）通過磁場時，會受到洛倫茲力作用，洛倫茲力的方向總是垂直於粒子的運動方向與磁場方向，從而使電子沿軸心呈螺旋狀前進。與光學透鏡不同，電磁透鏡並非透過折射率變化來折射光線，而是藉由磁場所產生的向心力，將帶電粒子的路徑彎曲至軸心，以達到聚焦效果。兩種透鏡皆透過改變射線或粒子的運動軌跡來形成影像：光學透鏡作用於光線，電磁透鏡作用於電子，但它們分別依賴於不同的物理原理——折射與洛倫茲力。
工作模式
(a) 成像模式：在成像模式下，穿透式電子顯微鏡被設定為由物鏡形成樣品的實空間放大影像。電子束穿透樣品後，物鏡將透射與散射的電子聚焦，在其像面上形成初始影像。中間鏡進一步放大該影像，並將其傳遞至投影鏡，投影鏡再將放大的影像投射至觀察螢幕或相機上。在此模式中，中間鏡會被調整以聚焦在物鏡的像面上。此構型可用於直接觀察樣品的形貌、缺陷、界面以及厚度變化的實空間影像。
(b) 繞射模式：在繞射模式下，中間鏡被調整為聚焦於物鏡的後焦平面，也就是繞射圖樣形成的平面。此時顯微鏡並不形成實空間影像，而是將樣品晶格面所產生的繞射電子束圖樣投射出來。投影鏡會進一步放大該圖樣，方便於螢幕上觀察或記錄。此模式可提供樣品的晶體結構、晶格間距與晶體取向等資訊。透過分析繞射斑點或繞射環的位置與強度，使用者可辨識物相並判定結構細節。成像模式與繞射模式之間的切換，只需調整中間鏡的激磁條件即可。
繞射圖樣
本圖展示了四種不同材料的電子繞射圖樣，每張圖對應不同的晶體結構特徵：
- (a) 單晶（Single Crystal）：顯示出規則且均勻排列的亮點，代表單一晶體結構中原子週期性排列所產生的繞射斑點。繞射斑點分布規則且清晰，說明樣品具有長程有序的晶格結構。
- (b) 多晶（Multi-crystal）：繞射斑點呈現為多個圓環狀，為多個不同取向晶粒的繞射斑點重疊所形成的環狀繞射圖樣。由於樣品由許多小晶粒構成，每個晶粒的取向不同，導致繞射斑點在空間中形成圓環。
- (c) 非晶態（Amorphous）：呈現出連續而模糊的繞射環，無明顯的點狀結構，說明樣品缺乏長程有序排列，原子位置不具規則性。電子繞射圖呈現寬廣而模糊的環狀散射，反映出短程有序的特性。
- (d) 準晶（Quasi-crystal）：根據傳統晶體學中的對稱性限制定理，晶體僅能具有二、三、四或六重旋轉對稱性，然而準晶的布拉格繞射圖樣卻顯示出其他對稱階數的清晰繞射峰，例如五重對稱性。準晶結構具有長程有序但不具平移週期性，其繞射圖顯示非週期且對稱的斑點分布。
應用實例
