透射电子显微TEM(技术)自20世纪30年代诞生以来，经过数十年的发展，现已成为材料、化学化工、物理、生物等领域科学研究中物质微观结构观察、测试的十分重要的手段。电子显微学是一门探索电子与固态物质结构相互作用的科学，电子显微镜把人眼的分辨能力从大约0. 2mm拓展至亚原子量级(<0. 1nm)，大大增强了人们观察世界的能力。尤其是近20多年来，随着科学技术发展进入纳米科技时代，纳米材料研究的快速发展又赋予这一电子显微技术以极大的生命力，可以说，没有透射电子显微镜，就无法开展纳米材料的研究；没有透射电子显微镜，开展现代科学技术研究是不可想象的。目前，它的发展已与其他学科的发展息息相关，密切联系在一起。

透射电子显微镜在成像原理上与光学显微镜是类似的(图25-1)，所不同的是光学显微镜以可见光作光源，而透射电子显微镜则以高速运动的电子束为“光源”。在光学显微镜中，将可见光聚焦成像的是玻璃透镜；在电子显微镜中，相应的具有电子聚焦功能的是电磁透镜，它利用了带电粒子与磁场间的相互作用。

图25-1         光学显微镜与透射电子显微镜成像原理的比较

理论上，光学显微镜所能达到的最大分辨率d，受到照射在样品上的光子波长λ以及光学系统的数值孔径N_A的限制：

在20世纪初，科学家就已发现理论上使用电子可以突破可见光的光波波长限制(波长范围为400～700nm)。由于电子具有波粒二象性，而电子的波动特性则意味着一束电子具有与一束电磁辐射相似的性质。电子波长可以通过德布罗意公式使用电子的动能推导出。由于在TEM中，电子的速度接近光速，需要对其进行相对论修正：

式中，h为普朗克常量；m₀为电子的静质量；E为加速电子的能量；c为光速。电子显微镜中的电子通常通过电子热发射过程或者采用场电子发射方式得到。随后电子通过电势差进行加速，并通过静电场与电磁透镜聚焦在样品上。透射出的电子束包含电子强度、相位以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。

在真空系统中，由电子枪发射出的电子经加速后，通过电磁透镜照射在样品上。透过样品的电子被电子透镜放大成像。成像原理是复杂的，可发生透射、散射、吸收、干涉和衍射等多种效应，使得在相平面形成衬度(即明暗对比)，从而显示出透射、衍射、高分辨等图像。对于非晶样品，形成的是质厚衬度像，当入射电子透过此类样品时，成像效果与样品的厚度或密度有关，即电子碰到的原子数量越多，或样品的原子序数越大，可使入射电子与原子核产生较强的排斥作用—电子散射，使截面上通过物镜光阑参与成像的电子强度降低，衬度像变淡。另外，对于晶体样品，由于入射电子波长极短，与物质作用满足布拉格(Bragg)方程，产生衍射现象，在衍射衬度模式中，像平面上图像的衬度来源于两个方面，一是质量、厚度因素，二是衍射因素；在晶体样品超薄的情况下(如10nm左右)，可使透射电子显微镜具有高分辨成像的功能，可用于材料结构的精细分析，此时获得的图像为相位衬度，它来自样品上不同区域透过去的电子(包括散射电子)的相位差异。