透射电子显微学|周末读书
书名：透射电子显微学(第2版)
外文书名：Transmission Electron Microscopy
作者:Williams D B,Carter C B
译者：李建奇
出版:高等教育出版社
译者简介：李建奇，中国科学院物理研究所研究员，博士生导师，入选“百人计划”，国家杰出青年基金获得者。1983年，毕业于西北大学物理系。1990年，在中国科学院物理研究所获得博士学位。1995—1996年，在德国Max-Plank固体物理研究所从事高Tc超导薄膜微结构分析。1996—1998年，在日本无机材料研究所从事“巨磁阻Mn-氧化物材料中的电荷有序相变”研究。2001—2002年，在美国Brookhaven国家实验室从事“高Tc超导材料中电子条纹相”研究。2002年，与物理所其他九位优秀青年学术骨干一起入选国家杰出青年群体。2003年，获北京科技二等奖（排名第一）。现任Chinese Physics Letter和Scientific Reports编委。目前主要从事强关联物理系统结构问题的研究，侧重于发展低温电子显微术、EELS谱分析、时间分辨电子显微术。在国际主要学术期刊上已发表论文200多篇。在国际学术会议上做邀请报告30余次，并多次在国际知名院所做邀请报告和进行学术交流。组织过多次原位电镜和多铁材料国际研讨会。
《透射电子显微学》分为上下两册，想获得该书的读者可以在后台留言，写下您的试读体会，留言点赞前5名的读者将获赠该书一套（三个月内已获得赠书的读者不参与此次活动）。截止时间是11月16日早8点，10点会公布5位获奖者名单。期待您的参与！
第二版序
J.C.Spence
物理学终身教授
亚利桑那州立大学和劳伦斯伯克利国家实验室
这本书是进入原子结构世界和材料科学表征的一本很好的入门书，包含如何使用电子显微镜观察和测量原子结构的非常实用的说明。你将从中学到很多，甚至有可能希望在接下来的一生中继续学习（特别是如果某些问题花费了你很大的努力！）。
纳米科学是“下一次工业革命”吗？或许将会是能源、环境和纳米科学的某种结合。无论是什么，这种目前能够在原子水平控制材料合成的新方法将会是纳米科学很重要的一部分，包括从喷气发动机涡轮叶片的制造到催化剂、聚合物、陶瓷和半导体的制造。作为一个习题，计算一下如果飞机涡轮叶片温度可以升高200℃ ，那么跨大西洋的机票价格将会降低多少？现在计算一下由于这种燃煤发电涡轮机温度的提高所导致的CO2释放量的减少以及效率的提高（同样电量而煤炭的使用量减少）。或许你将成为发明这些迫切需要的东西的那个人！美国能源部网站上的重大挑战报告列出了奇异纳米材料在能源研究应用中的重大进展，包括燃料电池分离媒介，以及将来某一天仅使用太阳光就能电解水的光伏材料和纳米催化剂。除了这些功能和结构材料，我们现在也开始首次观察人为制造的原子结构，此时原子可以被单独处理，例如基于可能的量子点的量子计算机。“量子操控”已经实现，并且我们已经观察到了用于标记蛋白质的荧光纳米点。
为了找出所合成的新材料究竟是什么，以及这种材料质量如何（以改进合成方法），这些新的合成方法必须结合原子尺度的组成和结构分析。透射电子显微镜（TEM）已成为实现这一目的的完美工具。它现在可以给出材料的原子分辨图像及其缺陷，以及来自亚纳米区域的能谱和衍射花样。它所使用的场发射电子枪仍然是整个物理学中最亮的粒子源，因此在所有科学研究中，电子微区衍射能从最小体积的物质中给出最强的信号。对于TEM电子束探针，我们使用磁透镜（目前进行了球差校正），而相对于X射线和中子来说，产生这样的探针（即使非常有限的性能）也是非常困难的。或许最重要的是，结合并行探测，电子能量损失谱能提供无与伦比的空间分辨率（X射线吸收光谱是不可能达到的，因为被吸收的X射线不存在了，而不是损失一部分能量并继续进入探测器）。
材料合成的重大进展得益于半导体工业半个世纪以来的研究。当我们尝试合成和制造其他材料时，对硅而言，目前已经变得很容易了。例如，现在可以使奇异的氧化物一层层堆叠以形成具有新的有用性质的人工晶体结构。但是这也源于材料表征技术方面惊人的进步和我们在原子尺度观察结构的能力。或许最好的例子是碳纳米管的发现，它最先是通过使用电子显微镜确认的。任何好奇和细心的电子显微学专家现在都能发现新的纳米结构，只要他们在原子尺度仔细观察。重要的一点是，如果这是在一台环境显微镜里观察，他或她将会知道如何制造这些纳米结构，因为使用这种“显微镜中的实验室”可以记录热力学条件。仅仅采用反复尝试的方法就已经发现了很多材料，这或许可以进一步和我们的电子显微镜结合。这是必需的，因为自然界中通常存在“太多的可能性”而无法在计算机上研究——可能结构的数量会随着不同种类原子数的增大而显著增大。
Richard Feynman曾经说过，“如果在某种大灾难下，所有的科学知识都丢失掉了，只有一句话可以保存，那么传下去的那句以最少字符包含最多信息的话将是：物质由原子构成。”但是令人惊讶的是， 物质由原子构成的这种肯定观点直到近代才发展起来，直至1900年，许多人（包括Kelvin）仍然不相信，即使有Avagadro的工作及Faraday的电镀实验。Einstein在1905年关于布朗运动的文章以及Rutherford的实验最终很具说服力。Muller第一个观察到了原子（20世纪50年代早期在他的场－离子显微镜中），而20年后Albert Crewe在芝加哥用他发明的场发射枪扫描透射电子显微镜（STEM）也观察到了原子。希腊原子论者首先提出一块岩石通过反复切割最终将得到不可分割的最小碎片，并且Democritus确实相信“除了真空和原子外不存在其他东西。其他一切都是主观的”。Marco Polo也谈到中国人对眼镜的使用， 但正是van Leeuwenhoek（1632—1723）在Phil.Trans的一系列文章中首次使用他大为改进的光学显微镜从而将微观世界带入整个科学界。Robert Hooke在1665年的显微图片中勾画出了通过使用新的复式显微镜所看到的、包括多面体晶体的漂亮图像，而且他用加农炮弹堆叠的图像来解释这些面的角度。或许这是自希腊人之后物质的原子理论的第一次复苏。20世纪30年代Zernike的相位板将相位衬度引入到此前无法看见的超薄生物“相位物体”，而这也是高分辨电子显微学相应理论的先驱。
对于材料科学领域的电子显微学家来说，由于电子显微镜的许多模式和探测器的持续快速发展，过去的50年是非常令人振奋的。从使我们能够理解晶体及其缺陷的TEM图像的Bragg衍射衬度和柱体近似的理论发展到应用于原子尺度成像的高分辨电子显微学理论，再到所有强大的分析模式的理论和相关探测器的理论，例如X射线、阴极射线荧光及能量损失光谱， 我们都能看到稳定的发展。我们总是认为缺陷结构在大多数情况下能够调控性质———最普通的（一级）相变都是从某些特定的位置开始的。在电子氧化物中，电荷密度的激发和缺陷的整个领域亟待应用电子显微镜来透彻理解。例如，陶瓷的相变韧化理论是TEM观察和理论结合的一个完美的例子，同样的例子还有合金析出硬化或者半导体晶体生长的早期阶段。在相变过程中研究缺陷的漫散射随温度的函数关系仍处在初级阶段，虽然我们具有比X射线方法强得多的信号。通过定量会聚束电子衍射，器件中纳米尺度的应变场的成像得到了及时发展，以解决半导体路线图上所列出的问题（你的笔记本的速度取决于应变诱导的迁移率增强）。在生物学中，TEM数据定量化更被重视，我们已经进行了很多大的蛋白质的三维图像重构工作，包括核糖体（根据DNA指令合成蛋白质的工厂）。这些工作应该成为材料科学界持续追求更好的数据定量化的模式。
像所有最好的教材一样，这本教材也是从讲稿中整理出来的，经过很多年和很多代学生的试用纠错。作者们从许多深奥的理论文章和大量文献中提取精髓，使用最简单、最清晰的方式（使用很多例子）来解释现代透射电子显微学最重要的概念和实例。这是对该领域和教学世界的巨大贡献。愿你的爱好从原子开始！
正文节选
第 1 章
透射电子显微镜
典型的商业透射电子显微镜（TEM）在电子束能量上每电子伏特大约要花费5美元，如果把所有费用都考虑在内，每电子伏特大约花费10美元。下面你会看到，我们所使用的电子束的能量在100000～ 400000eV范围内，所以TEM是一种极其昂贵的设备。因此，在一台电子显微镜上投如此大量的资金必须要有充分的科学理由。在这一章中（本章只是对该书中要详细讨论的许多概念进行简单综述），我们从介绍TEM的发展历史开始，这和为什么要用TEM去表征物质具有密切关系。使用TEM的其他原因是设备本身不断发展，目前可以说没有其他科学仪器能够提供如此大范围的表征技术，同时具有如此高的空间和分析分辨率，还能对各种技术进行全面定量的理解。确实，随着纳米技术和相关领域逐渐被公众和技术界认可，TEM越来越成为纳米材料和器件表征的主要工具。然而，和优点紧密相连的必然是一系列限制显微镜性能的缺点，了解仪器优点的同时，也必须意识到其不足。所以，我们对其缺点也做了简要总结。
TEM有许多不同的类型，相应地有不同的缩写，例如HRTEM、STEM、AEM等，我们会把这些不同的仪器介绍给读者。我们也将用这些缩写或者简写（参见缩略词表）来表示相应的显微学方法和设备（显微镜）。不同类型的TEM只是在基本框架之上做了一些小的改动，所以这本书的书名只使用了“TEM”。我们会描述一些电子的基本物理特性，整本书中会多次用到物理和数学公式，因为电子的基本物理性质、电子在显微镜中如何受磁场控制、电子如何与物质相互作用以及如何探测从ＴＥＭ 样品中发出的各种信号都是理解TEM用途和TEM不同操作技术的基础。
最后，我们汇总了一些TEM中常用的计算机软件包（本书中会多次提及），把它们放在第1章以强调计算机在当今电子显微学分析中的重要性。从本章节中学到的基本知识不仅仅是TEM的多样性，还会看到TEM除了是一种简单的用于高分辨成像和形成衍射花样（称为DPs）的显微镜之外，重要的还是一种信号产生和探测的仪器，其中高分辨成像和衍射花样已经用了几十年。
1.1 TEM可以研究哪些材料？
材料学家通常用TEM来研究金属、合金、陶瓷、玻璃、聚合物、半导体以及这些材料的复合体。此外，人们也尝试用TEM研究木材、纺织品和混凝土材料。除了将块材减薄研究外，通常也会研究其中某些材料的颗粒、纤维，它们通常都很薄，可以直接进行TEM研究。纳米科学作为贯穿本书的一个特色，是指“在约1～ 100nm尺度范围对材料进行研究和操控，这个范围内的特殊现象会使这些材料有新的应用，包括纳米科学、工程和技术，纳米技术则主要包括纳米尺度物体的成像、测量、建模以及操纵”。
制备纳米级材料时，其在一维、二维或者三维方向都有特定的维度限制，因此TEM非常适用于观察纳米材料。本书中包含很多特定维度限制结构的例子。比如，单层材料（如石墨烯、量子井）、纳米管、纳米线、量子点、纳米颗粒，而且大部分催化剂颗粒可视为一维结构材料。这些纳米材料不用经过处理就可以直接在TEM中观察：一维纳米材料足够薄；二维纳米材料包含界面；而三维纳米材料一般为多层材料、半导体器件和功能材料，或者纳米孔隙结构（如用于催化剂颗粒分散的基体）。最后，应该指出TEM在纳米和生物交叉领域的迅速发展，尽管在过去的十多年中很多生物电子显微镜被损伤比较小的技术取代了，如共焦、双光子、多光子和近场光学显微镜，然而TEM在生物材料、生物／无机界面以及纳米－生物／生物材料中仍然具有重要的作用。
1.2 为什么使用电子？
为什么要用电子显微镜？从历史上讲，发展TEM是因为可见光波长限制了光学显微镜的图像分辨率。在电子显微镜发展起来以后，人们才逐渐意识到电子的优势，而这些优势在一定程度上已经融入到现代TEM的发展中。为引入主题，我们先来看一下TEM的发展历史及其优缺点。
1.2.1 简史
Louis de Broglie（1925）首先提出电子波动性理论，电子波长远比可见光短。1927年，Davisson和Germer，Thomson和Reid两个研究组分别独立进行了电子衍射实验，证明了电子具有波动性，之后不久人们就提出了电子显微镜的概念。Knoll和Ruska（1932）的论文中首次用到了电子显微镜这个名称，并且实现了电子透镜成像的想法，在如图1.1所示的仪器上获得了电子图像。这是至关重要的一步，为此Ruska获得了1986年（稍微有些迟，逝世于1988年）的诺贝尔物理学奖。在Knoll和Ruska文章发表的同一年，电子显微镜的分辨率就超越了可见光的分辨极限。令人吃惊的是，Ruska竟然从没听说过de Broglie关于电子波的观点，并认为波长极限不适用于电子。仅4年以后，商业公司就开发出了TEM，Metropolitan-Vickers是第一台商用的TEM，于1936年在英国建造。但它的工作状态不是很好。正规的TEM生产开始于1939年德国的Siemens和Halske。第二次世界大战之后， 其他几个制造商（Hitachi、JEOL、Philips和RCA）都开始生产电子显微镜。
图1.1 20世纪30年代早期，Ruska和Knoll在柏林建造的电子显微镜
对于材料科学家来说，20世纪50年代中期最重要的一个发展就是，瑞士的Bollman、英国剑桥的Hirsch以及他的合作者完美地把金属薄片减薄到电子可穿透的厚度（实际上由于很多早期的TEM工作都是用来检测金属样品的，“薄片”就变成了“样品”的同义词，本书中也会经常这么使用）。此外，剑桥研究小组还发展了电子衍衬理论，应用这一理论我们通常可以定量分析TEM图像中的线缺陷、面缺陷。这个理论工作总结在一本重要的教科书中，这本书被认为是TEM的“圣经”（Hirschi等，1977）。在材料科学领域，美国的Thomas是用TEM来解决结构问题的先驱，他在书中首次清楚地论述了这些问题。另外，还有一些材料结构问题方面的优秀书籍，例如Edington有关“实际操作”的著作。
当今，TEM已经成为材料表征最有效和最常用的工具，研究的尺度范围包括原子、纳米（1 nm到100 nm）以及微米量级或者更大。如果你想了解TEM的历史，Marton（１1968）的书是一本比较简洁的论著。在Hawkes（1985）编辑的书中也有一些个人的回忆录。Fujita（1986）在书中重点强调了日本对TEM发展的贡献。这个领域中许多先驱者都把他们的自传写到论著里，或者为他们编写论文集以表敬意（例如Cosslett,1979;Ruaka,1980;Hashimoto,1986;Howie,2000; Thomas,2002; Zeitler,2003），文集详述了他们几十年中对TEM的贡献，汇编了这个领域中有价值的综述性论文。如果你喜欢读材料科学史，我们推荐Goodman（1981）编写的回顾性文章《电子衍射五十年》，以及Ewald（1962）编的《X射线衍射五十年》（1994年出版的CBE手册讨论过X射线的术语问题）。而且最近，Haguenau等（2003）总结了电子显微镜发展史上的重大事件，可以在网络上查阅到很多详细信息，有些还是很准确的。
1.2.2 显微学方法和分辨率概念
什么是显微镜？多数人会说是用来放大用肉眼看不到的东西的设备，他们很可能会谈到光学显微镜（VLM）。由于我们比较熟悉光学显微镜的概念，所以，必要时会把电子显微镜和光学显微镜进行类比。
人眼能分辨的两点间的最小距离约为0.1—0.2 ｍｍ，假设有充足的照明， 这个最小距离就取决于我们眼睛的视力情况，这个最小距离就是眼睛的分辨率或更准确地说是分辨能力。所以，任何能给出细节好于0.1ｍｍ的图片（或者称之为“图像”）的设备，都可以叫做显微镜，它的最大有效放大倍数由分辨率决定。由于电子比原子小，因此，至少理论上就可能建立一个能看到原子以下量级的显微镜。这正是早期发展TEM时吸引人的主要地方。用电子可以“看”的观点可能使你困惑，因为我们的眼睛对电子并不敏感。如果一束高能电子射 进你的眼睛，你很可能就会失明，因为电子杀死了视网膜细胞，你将什么都看不到！所以电子显微镜的一个主要部分是不同类型的观察屏（现在通常是平板计算机显示器），把电子的强度转化成光强，以便我们来观测和记录照相或者进行数字化存储。
TEM的分辨率对不同功能的设备有不同的含义，我们会在适当的章节中进行讨论。最容易想到的是用光学显微镜中经典的瑞利判据来表示TEM图像的分辨率。根据瑞利判据，能分辨的最小距离，δ，可以近似表示为
式中，λ为辐射波长；μ为介质的折射率；β为放大镜的收集半角。为简化起见，我们把μsinβ（通常被称为数值孔径）近似为单位1，所以分辨率大约等于光波长的一半。对于可见光谱中的绿光，λ大约是550ｎｍ，所以一台好的VLM的分辨率约为300ｎｍ。利用式（1.1），TEM能够达到的最好分辨率会非常高（近似为1.22λ/β）。
对我们来说，300ｎｍ是一个很小的尺度，但它大约相当于1000个原子的直径，因此许多决定材料性质的结构特性都在VLM的分辨率以下。而且300ｎｍ 也远远超出我们之前定义的纳米尺度范围。所以，如果我们想了解物质并最终调控其性能，那么在纳米材料科学和工程中就需要在原子量级上成像，这也是TEM非常有用的主要原因。20世纪初，人们已经彻底理解了光学显微镜的局限性，这使得这个领域里的一位巨人Ernst Abbe抱怨说：“希望人类能够找到超越这个极限的方法” （他是对的，他有理由这么消沉，因为他死于1905年，而在他死后20年，de Broglie就解决了这个问题）。de Broglie的著名方程给出了电子波长和能量Ｅ之 间的关系，如果忽略相对论效应，可以将它近似表示为（此处不考虑单位的一致性，1.4节有准确的表示）
式中，Ｅ的单位为eV；λ的单位为nm。从式（1.2）可知，对于100keV的电子，λ约为4pm(0.004ｎｍ)，它远小于原子的直径。
我们还不可能建造一台达到受波长限制的极限分辨率的理想 TEM，因为我们不可能做出完全理想的电子透镜（见第6章）。直到近来，最好的电磁透镜才可能与用可口可乐瓶底做成的光学显微镜相比。但在Ruska早期电子透镜工作之后，相关研制工作进展很快。20世纪70年代中期，许多商业的TEM就能分辨出晶体中的单个原子列，“高分辨透射电子显微学”（HRTEM）随之诞生，我们将在下册第28章中对这一问题进行深入讨论。图1.2A给出了一幅典型的HRTEM图像。
短波长的优势引领了20世纪60年代高压电子显微镜（HVEM）的发展，其 加速电压在1ＭＶ到3ＭＶ之间。事实上，与其说高压电镜推高了分辨率极限， 倒不如说这些仪器大部分用于给样品引入可控数量的辐射损伤，来试图模拟原子核反应堆的环境。三哩岛和切尔诺贝利对能源研究重点的改变有一定贡献。今天环境的改变正在迫使人们重新考虑核能源。近年来对于HVEM的需求已经很少。20世纪80年代仅制造了一台用于高分辨成像的HVEM（1MV），90代制造了3台125MV的TEM。20世纪80年代发展了中等加速电压的电子显微镜（IVEM），这些电子显微镜的工作电压为200~400kV，但它们仍然具有很高的分辨能力，分辨率接近于1ＭＶ的高压电子显微镜。实际上，如今购买的大部分IVEMs都是具有原子分辨率的高分辨电镜。
我们仍然在提高分辨率，近年来球差（Cs）和色差（Cc）校正器的发展在电子显微镜领域具有里程碑的意义（分别见第6章和下册第37章）。引入球差和色差校正后，在其众多优点中，重要的是可以得到清晰的原子结构图像，对不同能量的电子进行滤波，还可以提高较厚样品的图像质量。
球差校正的IVEM图像分辨率可达到0.1 nm以上。电子显微镜发展到现在，追求更高的分辨率已不是发展的主要方向，人们试图发展它的其他功能。球差校正可能是近几十年来TEM技术的一个最激动人心的进步，本书会多次阐述，而且在后面也会详细说明这点。图 1.2B和C分别为在传统电镜与球差（Cs）和色差（Cc）校正电镜上得到的高分辨图像，从中可以看出明显的差别。TEM中球差和色差校正的优点会在后续的球差校正和能量过滤TEM（EFTEM）章节中进行深入探讨。
图1.2（Ａ）尖晶石结构中的孪晶界，孪晶面为｛111｝，白点是原子列。即使不知道什么产生了白点或者为什么它们是白点，我们仍可以很容易地看到孪晶界处原子排列的取向改变。（Ｂ）和（Ｃ）分别为传统TEM和Cs－TEM拍摄的SrTiO3中的晶界，可以看出两者差别非常明显
1.2.3 电子与物质的相互作用
电子是一种“电离辐照”。它能通过把一部分能量转移给样品中单个原子使内壳层电子摆脱原子核的紧束缚。
使用电离辐照的优点之一是它可以产生一个很宽范围的样品的二次信号， 如图1.3所示。其中许多信号都可以用在分析型电子显微镜（AEM）中，给出样品的化学信息和其他许多细节。AEM用的是X射线能量色散谱（XEDS）和电子能量损失谱（EELS），例如图1.4A是图1.4B所示TEM样品中一个很小区域的X射线谱，能谱中有某些元素的特征峰，由此可确定这些区域的元素分布情况。我们可以将这些谱图转化为定量数据来描述与微结构不均匀性相关的化学元素的变化，如图1.4C和1.4D所示，本书下册第四篇将着重介绍这部分内容。相对而言，使用非电离辐照的显微镜，比如可见光显微镜，通常只能产生一般光（好处是没有太多热量）。
图 1.3 高能电子和薄样品相互作用时产生的各种信号。大多数信号可以在不同类型的TEM中用到。图中显示的方向并不总是代表信号的实际方向，但大体上表示了信号最强的位置或能被检测到的方向
为了从样品中获得最好的信息，我们必须输入最好的信号，因此电子源的质量非常关键。在第5章你会看到，现在这个方面已经得到了较好的完善，所以现代TEM是相当好的信号产生设备。为了获取局域信息，我们需要使TEM形成很细的电子束（常称为探针），直径一般小于5ｎｍ，最好在0.1ｎｍ以下。我们通过把TEM和扫描电子显微镜技术结合而制造出的扫描透射电子显微镜 （STEM）就具有非常小的束斑。STEM是AEM的基础，也是一个具有独特性能的扫描成像（或者扫描探针）显微镜。事实上，有些设备只能在扫描模式下工作，有时被称为“专用STEM”，或“DSTEM”。类似标准TEM中图像分辨率的 改善，AEM在中等电压下具有更好的分析性能。
图 1.4 (Ａ)为(Ｂ)图中Ni基超合金的X射线谱，给出3个不同区域内化学元素的特征峰。(Ｃ)为各个区域的元素分布，与(Ａ)图中不同灰度的能谱相对应。(Ｄ)为横穿 (Ｃ) 图中一个小的基体析出相的元素定量分布曲线。见书后彩图
最重要的是，球差校正后可以产生束流更高、束斑更小的探针，这样可以显著提高电镜的空间分辨率和灵敏度。色差校正（能量过滤）的引入则可获得电子图像整个能量范围的图像信息，例如带隙成像和化学键成像。
1.2.4 景深和焦深
显微镜的景深是一种度量尺度，也就是我们所观察的物体在多大范围内能同时保持清晰图像。焦深则指在保证图像清晰的条件下，像平面在像空间内可移动的距离。即景深对应于物空间，而焦深对应于像空间。如果混淆了，可以回想一下景深和视场的概念，这两个都是指日常照相中的物体。与分辨率一 样，这些性质是由显微镜的透镜决定的。正如我们前面提到的，电子透镜的质量并不是很好，提高其性能的一个方法是在透镜中使用孔径较小的限制光阑， 把电子束变成细的电子“笔”，其截面最多只有几个微米。这些光阑降低了电子束的强度，但增大了样品的景深和图像的焦深，第6章中会有详细解释。
图1.5 GaAs晶体中位错的TEM图像（暗线）。穿过图像中间带中的位错位于和另一个带 成90°的滑移面上，并从顶到底贯穿整个薄样品，且在整个样品厚度内可以很好地聚焦
大的景深透镜主要用在SEM中，使表面形貌有很大变化的样品产生准三维的清晰图像，这一点对TEM也很重要。在TEM中，只要电子能穿过样品， 样品通常都能同时聚焦，几乎与样品的形貌无关。图1.5是晶体中位错的TEM图像。这些位错开始和终止于样品的某个位置，但事实上它们从上到下贯穿了整个样品，而且总体保持聚焦（读完本书之后即可分辨样品的上下表面）。进一步说，我们可以在仪器最后一个透镜下方不同位置记录最终的图像，也是处于聚焦状态（即便放大倍数变化）。而对VLM来说，除非样品在可见光波长范围内表面是平的，否则就不会同时聚焦。在这个问题上，VLM和TEM各有优缺点。要注意的是，在Cs电镜中，为了保证分辨率，一般使用较大光阑，这会减小景深和焦深（见6.7节）。所以Cs电镜的样品必须足够薄，以保证在任何情况下都能同时聚焦。下面的章节会对其作进一步讨论，也会提及TEM的 “共焦”模式。
1.2.5 衍射
Thompson、Reid、Davisson和Germer分别指出，电子通过镍的薄晶体时会发生衍射。Kossel和
图1.6 含有多种析出相的Al－Li－Cu合金（见插图）的TEM电子衍射花样。中间的点（×）包含直接穿过样品的电子，其他衍射点和线是被不同晶面散射的衍射电子
总之，电子显微镜可以产生原子分辨率的图像，产生各种信号来表征样品的化学成分与晶体学信息，而且总能得到聚焦的清晰图像。当然，使用电子显微镜还有许多其他方面的原因，希望当你读完这本书以后会更清楚。同时，也有许多原因使得某些结构问题并不能总是可以用TEM来解决。了解这个设备不能做什么也是非常重要的，就像需要知道它能做什么一样。
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