近年来，各种微束分析技术的快速发展及其在地球和行星科学领域的广泛应用，极大地推动了纳米地球科学和行星科学的学科发展和科学研究。纳米地球与行星科学通过研究地球和行星系统中的纳米物质结构、纳米尺度现象，在微纳尺度到原子水平上揭示它们的形貌、结构、化学组成、分布特征、演化规律，从而获得宏观地质或行星样品的来源、形成和演化等信息，进而指示太阳系的形成与演化过程，以及地球上矿物、岩石、化石、沉积物和洋流等可能经历的地质、物理、化学或生物过程。 

　　透射电子显微镜（简称透射电镜）因具有极高的空间分辨率和综合分析能力强等优点，可在地球与行星物质的微纳尺度到原子水平的形貌、晶体结构、矿物相鉴定、化学成分、原子成像和微磁结构等研究中发挥巨大的作用。中国科学院地质与地球物理研究所电子显微镜实验室的唐旭工程师和李金华研究员，长期深耕于透射电镜在地球与行星科学及材料科学等领域的研究工作，并基于其自身的经验和研究基础详细介绍了透射电镜的发展历程、基本结构和工作原理，进一步全面阐述了透射电镜的技术功能、样品制备方法及其在地球和行星科学研究中的应用。 

　　1. 透射电镜发展历程和工作原理 

　　透射电镜发展于20世纪20-30年代。1924年，法国理论物理学家路易？维克多？ 德布罗意提出物质波假说。1926-1927年，克林顿？ 戴维逊和雷斯特？革末用镍晶体反射电子，乔治？汤姆逊和雷德用高速电子穿透金属薄膜，均发现电子被晶体散射产生了衍射，验证了电子具有波动性的假说。1927年德国物理学家汉斯？布施发现中心旋转对称的电磁场对电子束的控制行为，为电子显微镜的制作提供了理论基础。1931-1933年，柏林工业大学马克斯？ 克诺尔和厄恩斯特？ 鲁斯卡用磁性透镜制成了第1 台二级电子光学放大镜，此时这一装置还不属于真正的电子显微镜。1934年，克诺尔和鲁斯卡采用75 kV的加速电压，研制了真正意义上的第1台透射电镜（见图1a，图1b为最初的电子显微镜光路图）。然而，由于像差（球差、色差和像散）的存在，电磁透镜系统都无法做到完美，进而影响着透射电镜的分辨率。此后，研究人员通过改善加速电压，电子枪以及研制球差矫正器等方法，进一步促进了更高分辨率的场发射透射电镜和球差矫正透射电镜的应运而生。进入21 世纪，伴随着球差校正技术和透射电镜制造工艺的进步，世界上先进的球差校正（也称像差校正）透射电镜的STEM分辨率已经从0.08 nm（2009年）提高至0.063 nm，HRTEM分辨率达0.05 nm（2014年）。2018年森下茂雪和戴维？穆勒教授等人分别获得了分辨率高达0.0405 nm和0.039 nm的透射电镜图像，成为了最新的世界纪录。此外，随着不同学科研究的需要，相继衍生出适用于磁性材料的洛伦兹透射电镜和用于生命科学的冷冻透射电镜，进一步拓展了透射电子显微镜的应用场景。 

　　

　　图1 （a）20 世纪30 年代初鲁斯卡（右）和克诺尔（左）研制的电子显微镜；（b）最初的电子显微镜光路图；（c）现代球差校正透射电镜；（d）聚光镜球差校正透射电镜结构示意图。 

　　常规透射电镜工作原理是以电子束为光源，通过两级聚光镜的聚焦后形成极细的高压电子束，然后入射到纳米级厚度的薄试样上，与样品物质的原子核及核外电子相互作用后，入射电子束会发生弹性散射和非弹性散射（图2a），产生各种信号，这些电子或能量信号携带了样品的特征信息，依次经过物镜、中间镜和投影镜的三级放大作用，最终将样品的信息投射到下游的荧光屏上，并通过照相室成像和拍照，最终获取实验结果（图2b），如明/暗场像、电子衍射谱、高分辨像和化学信息等。如果在常规透射电镜上配置STEM 附件，则称之为扫描透射电子显微镜，其工作原理是通过线圈将电子束会聚成一个细小的束斑并聚焦于样品表面，然后利用扫描线圈精确控制束斑在薄样品上进行逐点扫描，在样品上、下方安装有不同的环形探测器来同步接收各种物理信号，然后环形探测器将这些携带样品信息的物理信号转换成电流强度，显示于荧光屏或计算机屏幕上，表现为高角环形暗场像、低角环形暗场像、环形明场像（图2c）和二次电子像等。球差校正透射电镜是在透射电镜的聚光镜系统和物镜系统后面增加一个球差校正器来补偿球差，大多是通过两组六级电磁透镜系统来实现，同等电压下，球差校正透射电镜的电子束流比无球差校正透射电镜高~10倍，分辨率则能提高一倍多，十分有利于原子尺度的微区分析。 

　　

　　图2 （a）入射电子与样品相互作用后产生的各种信号；（b）常规透射电子显微镜工作原理示意图；（c）扫描透射电子显微镜工作原理示意图 

　　2. 透射电镜基本功能和相关技术 

　　目前，世界上先进的透射电镜涉及约22~28种技术，依据功能需求简要分为7大分析功能，分别是形貌像、晶体结构与缺陷、化学分析、物性分析（磁/电场）、三维重构像、原子成像、以及原位和冷冻TEM等。图3和表1列举了各个分析功能对应的技术方法，部分工作原理图以及能获得的物质信息。 

 

　　图3 先进透射电镜的各个分析功能所涉以的技术及部分工作原理和获取的信息

　　  

　　表1 透射电子显微镜的基本功能和相关技术

分析功能	相关技术	获得信息
形貌像 晶体结构与缺陷 原子成像 化学分析 磁结构表征 三维重构像 原位和冷冻分析	BF-TEM、DF-TEM、SE SAED、CBED、NED、HRTEM、ACOM STEM-HAADF、ABF、DPC-STEM、 iDPC-STEM (S)TEM-EDXS、STEM-EELS、EF-TEM EH、Lorentz TEM、EMCD  (S)TEM-3D ET、STEM-3D EDXS、AET In-situ TEM，cryo-TEM	形貌、位错线和孪晶板条等。 晶体类型、晶粒取向、位错、孪晶、层错和界面结构等。 轻、重原子占位与分布、原子偏聚、原子电场/磁场分布。 成分、原子尺度元素和空位偏析与分布、价态、键合成像等。 磁场（电场）分布、磁交互作用、磁畴分布、磁化强度、轨道磁矩和自旋磁矩等。 三维空间形态、结构和成分分布。 实时、动态的形貌，成分和结构表征，特殊条件下（冷冻）电镜分析。

  　　备注：BF-TEM：明场像；DF-TEM：暗场像；SE：二次电子像；SAED：选区电子衍射；CBED：会聚束电子衍射；NED：纳米电子衍射；HRTEM：高分辨透射电子显微像；TEM：透射电子显微术（镜）；ACOM：自动晶体取向成像术；STEM：扫描透射电子显微术（镜）；STEM-HAADF：高角环形暗场像；ABF：环形明场像；DPC-STEM：差分相位衬度成像；iDPC-STEM：积分微分相位衬度成像；EDXS：X射线能量色散谱；EELS：电子能量损失谱；EF-TEM：能量过滤透射电子显微术；EH：电子全息术；Lorentz TEM：洛伦兹电子显微术；EMCD：电子磁手性二向色性技术；3D ET：电子三维重构技术；STEM-3D EDXS：X射线能量色散谱三维重构技术；AET：原子电子三维重构技术；In-situ TEM：原位透射电镜显微术；cryo-TEM：冷冻透射电镜显微术。 

　　3.透射电镜样品及其制备方法 

　　透射电镜实验对观察的样品要求极高，要求测试的样品直径不大于3 mm，厚度≤~100 nm，如果要观察高分辨和STEM-HAADF 图像等，则要求样品更薄（如小于50 nm），且要求样品表面干净，无碳氢污染物和非晶层。常见的样品可分为纳米材料/矿物和块体试样，因而本文主要介绍这2类样品的制备方法。（1）将纳米尺度的矿物或材料在分散介质中分散成悬浮液，再用移液器吸取特定量的悬浮液滴至TEM金属载网碳膜上，经过干燥后直接进行透射电镜分析。表2列举了不同的TEM 铜载网碳膜类型参数及其适用的纳米材料。块体试样的制备方法主要是借助超薄切片仪，离子减薄仪和聚焦离子束显微镜，其工作原理见图4。 

　　表2 TEM铜载网碳膜类型参数及其适用的纳米材料

类别	特征	膜厚(nm)	衬度	适用样品	参考文献
纯碳膜	铜网和碳膜组成	15~30	一般	在有机溶剂或高温处理的材料(≥10 nm)	(Lu et al., 2013)
微栅	有微孔的碳支持膜	15~20	优异	管状、棒状、纳米团聚物等	(Tian et al., 2018)
碳支持膜	铜网，方华膜和碳膜叠加	7~10	较好	粒径≥10 nm的纳米材料	(Sun et al., 2019)
超薄碳膜	在微栅上覆盖薄碳膜而成	3~5	优异	分散性好，粒径<10nm的样品	(Cai et al., 2019)
双联网碳支持膜	2个碳支持膜相连，可折叠	7~10	一般	磁性纳米材料和矿物	(He and Pan, 2020)

图4 固体块状样品的透射电镜样品制备方法 

　　4. 透射电镜在地球和行星科学领域的应用范例

　　地球与行星科学的研究范畴极为广泛，包含众多的分支学科，本文从以下分支学科领域介绍了透射电镜在地球与行星科学中的应用研究工作，主要包括：地球生命演化（地球早期生命研究），微生物矿化，沉积物中磁性矿物（海洋和陆地），纳米矿床学（纳米矿物与成矿研究），地球化学（定年矿物微量元素扩散与分布研究），地球深部高温高压矿物学和行星科学。 

　　最后，通过与其他微束分析技术的对比，本文还初步分析了透射电镜在地球与行星科学研究领域的应用现状和未来趋势。藉此希望促进地球和行星科学领域的工作者对透射电镜进一步深入的认识，并将该技术应用到相应的科学研究中，进而推动透射电镜技术在纳米地球科学领域的广泛应用和蓬勃发展。　  

　　研究成果发表于EI期刊《地球科学》（唐旭，李金华. 透射电子显微镜技术新进展及其在地球和行星科学研究中的应用. 地球科学. 2021. 46(4):1374-1415. DOI：10.3799/dqkx.2020.387）。本项目受国家自然科学基金项目（Nos.41890843,41920104009）和中国科学院仪器设备功能开发项目（No.IGG201902）的资助。