透射TEM 新手入门：快速掌握核心技能
目录
简介
一、TEM 基本知识
1. 核心原理（理解图像本质）
2. 关键结构与成像模式（对应图像类型）
二、TEM 数据处理
1. 预处理（通用步骤）
2. 衍射花样（SAED）处理（金属材料核心）
3. HRTEM 图像处理
4. STEM 图像处理
三、金属材料 TEM 内容分析
1. 显微组织分析
2. 晶体结构分析
3. 界面 / 析出相分析
四、必备工具与注意事项
1. 核心软件（操作要点）
2. 避坑指南
参考学习链接
简介
透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）在材料学研究中是不可或缺的 “利器”，它能帮助我们窥探材料的微观世界，了解其组织结构与性能的关联。但对于刚接触 TEM 的材料学新手来说，往往会被其复杂的原理和操作所困扰。别担心，本篇博客将为你梳理 TEM 的核心知识，帮助你快速上手 TEM 图像的数据处理和内容分析，轻松迈入 TEM 研究的大门。
一、TEM 基本知识
1. 核心原理（理解图像本质）
电子束就像一把 “探针”，当它与材料相互作用时，会发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射是成像和衍射的关键，就好比光线遇到镜面反射一样，电子束的方向改变但能量不变，这让我们能得到清晰的图像和衍射花样；非弹性散射则会产生衬度和 EDS 信号，衬度能让我们区分材料的不同区域，EDS 信号就像材料的 “身份证”，能告诉我们材料里含有哪些元素。
在分辨率方面，空间分辨率在金属材料中大概是 0.1-0.2nm，这取决于设备的性能，它决定了我们能看到多小的细节；衍射分辨率则关系到晶面间距测量的精度，这对于分析晶体结构很重要。
2. 关键结构与成像模式（对应图像类型）
TEM 的结构就像一条精密的 “电子通道”：电子枪是电子的 “发源地”，产生电子束；聚光镜负责把电子束聚焦，让它更集中；样品室是放置金属薄片样品的地方，我们要研究的材料就在这里接受电子束的 “探测”；物镜是成像的核心，它的性能直接决定了图像的分辨率；中间镜和投影镜则起到放大作用，把微小的结构放大到我们能看清的程度；最后由探测器记录下图像和衍射花样。
对于金属材料，常用的成像模式有以下几种：
- 明场像（BF）：能呈现质厚衬度和衍射衬度，就像我们用普通相机拍照一样，能看到晶粒、缺陷等结构。
- 暗场像（DF）：可以强化特定的相或缺陷，比如析出相、位错等，让它们在图像中更明显。
- 选区电子衍射（SAED）：这是分析晶体结构和取向的核心，它能产生独特的衍射斑点，就像晶体的 “指纹”。
- 高分辨 TEM（HRTEM）：能看到原子排列和晶格条纹，让我们能观察到界面、纳米相等细微结构。
- STEM（扫描透射）：其 HAADF 像具有原子序数衬度，重元素在图像中会更亮，就像用不同颜色标记了不同元素。
从左往右依次是明场像、暗场像、中心暗场像的成像原理图
二、TEM 数据处理
1. 预处理（通用步骤）
- 降噪：高斯滤波就像给图像 “磨皮”，能模糊噪声但保留大结构；中值滤波则擅长去除斑点噪声，对于有颗粒、缺陷的图像很适用。
- 衬度调整：直方图均衡化能增强弱衬度，比如一些不明显的界面，经过调整后能看得更清晰。
- 畸变校正：校准标尺很重要，我们可以用标样如金颗粒、硅单晶的衍射来标定，确保测量数据的准确性。
2. 衍射花样（SAED）处理（金属材料核心）
- 标定步骤：
① 先测量衍射斑点间距（R），然后根据公式 d=K/R（K 为相机常数，设备会提供）计算晶面间距。
② 测量斑点之间的夹角，再对应查找晶面夹角，可以查 PDF 卡片或用晶体学公式计算。
③ 结合金属相结构，比如面心立方（FCC）、体心立方（BCC），来确定物相。
TEM衍射花样标定流程图
- 软件：Digital Micrograph（DM）能自动测量 R 和角度，非常方便；JEMS 可以模拟衍射花样，我们可以把模拟结果和实验结果对比，辅助确定物相。
3. HRTEM 图像处理
傅里叶变换（FFT）能把晶格条纹转化为衍射斑点，让我们快速判断晶面间距；逆傅里叶变换（IFFT）则可以过滤噪声，保留特定的晶面条纹，比如界面处的匹配晶格。
4. STEM 图像处理
在 HAADF 像中，我们可以用 ImageJ 测量颗粒尺寸，做粒径分布统计；通过衬度分析还能判断成分差异，比如富 Cr 析出相通常会更亮。
三、金属材料 TEM 内容分析
1. 显微组织分析
- 晶粒：用 ImageJ 测量晶粒尺寸，一般用等效圆直径来表示，还可以做统计分布，画出柱状图；通过 BF/DF 像能判断晶粒形态，是等轴的还是柱状的。
- 相鉴定：结合 SAED 标定结果和 EDS 成分分析，能确定析出相，比如钢中的 Fe3C、铝合金中的 Mg2Si。
- 缺陷识别：
- 位错在 BF 像中是暗线，有刃型和螺型之分，用 DF 像可以让它更明显；在 SAED 中，菊池线弯曲说明存在应变场。
- 孪晶在 HRTEM 中呈现交替的晶格条纹，比如 FCC 金属孪晶界会有镜像对称的特征。
2. 晶体结构分析
- 晶格常数：通过测量 HRTEM 条纹间距（d 值），再根据公式计算，比如 FCC 中 a=d√(h²+k²+l²)。
- 取向关系：SAED 花样中如果有两组衍射斑点，分别对应基体和析出相，我们可以计算它们的取向差，比如 [111] 基体 //[111] 析出相。
3. 界面 / 析出相分析
- 界面结构：用 HRTEM 观察原子排列，能判断界面是共格、半共格还是非共格的，比如铝合金中 GP 区与基体就是共格的。
- 析出相：STEM-HAADF 像能确定析出相的分布，包括尺寸和密度；SAED 能确定其结构；EDS 则能确定其成分。
四、必备工具与注意事项
1. 核心软件（操作要点）
- DigitalMicrograph（DM）：能进行基础处理，如裁剪、测量、FFT 等，在 SAED 标定方面，它自带标尺和角度工具，很好用。
- ImageJ：用于颗粒尺寸统计，操作是 “分析→测量”；还能进行衬度调整，在 “图像→调整” 里操作。
- JEMS：输入晶体结构参数后，能模拟衍射花样，方便我们和实验结果对比。
2. 避坑指南
- 样品影响：金属薄片厚度过厚会导致衍射斑点模糊，所以要把薄片减薄到 100nm 以下。
- 成像条件：HRTEM 如果欠焦或过焦，条纹衬度会反转，所以要校准聚焦，以无衬度线为准。
- 多手段验证：用 SAED 鉴定物相时，要结合 EDS 成分，比如在 Fe-Ni 合金中，FCC 结构可能是奥氏体或 Ni3Fe，这时候就需要 EDS 确认 Ni 的含量来区分。
参考学习链接
一文了解透射电镜（TEM）知识重点（动图演示）
你要掌握的透射电镜(TEM)的基础知识 - 知乎
TEM数据处理的基本原理与应用 - 素雅技术服务
本系列后续会持续更新TEM图像分析及数据处理软件的常规操作哦！