中国分析测试技术丛书--透射电子显微分析

《透射电子显微分析》是“中国分析测试技术丛书”的一个分册。
本书第一章和第二章介绍了透射电子显微镜的发展历史、结构与工作原理；第三至第六章以结构晶体学为出发点，阐述了不同电子显微技术（电子衍射、高分辨成像、扫描透射电子显微镜、X射线能谱、电子能量损失谱等）的原理及其实际应用；第七章讲述了冷冻电镜技术的原理及其在结构生物学等领域的应用实例；第八章着眼于前沿，重点介绍了新近发展的球差校正透射电子显微技术、原位透射电子显微技术、低压低剂量透射电子显微技术、电子全息术的原理及其应用实例，为广大分析测试工作者提供实用、前沿的技术参考与方法指南。
《透射电子显微分析》可作为仪器分析领域，尤其是电子显微学及相关领域的科研人员、分析测试工作者及高校教师、硕博士研究生的指导用书。对于物理、化学、生物、材料、信息、能源、环境等专业的高年级本科生和具备一定晶体学基础的本科生，本书也可作为科研入门和深入学习的参考资料。

王建波 武汉大学教授、科研公共服务条件平台主任、电子显微镜中心主任，兼任中国电子显微镜学会常务理事、中国物理学会固体缺陷专业委员会委员、中国分析测试协会理事。主持国家自然科学基金等项目，在Nature等期刊发表SCI论文280余篇。长期从事固体超微结构表征研究。

魏大庆 哈尔滨工程大学教授、核科学与技术学院核材料方向学术带头人，兼任中国核工业教育学会中子科学创新人才分会委员、黑龙江省电子显微镜学会理事长、中国材料与试验团体标准委员会(CSTM标准委员会)科学试验领域委员会(CSTM/FC98)委员。长期从事电子显微学教学和科研工作。

林岳 中国科学技术大学特任教授、博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者，中国电子显微镜学会青年学者专家委员会首届委员。入选2020—2024年科睿唯安“全球高被引科学家”、2024年度赛默飞高校分析测试优秀青年人才支撑计划（一类项目），获2020年中国科学院青年创新促进会人才支持计划资助。在Science 、Nature 、PNAS等期刊发表论文60余篇，致力于透射电镜相关技术研究。

随着我国经济社会的快速发展和科技水平的日新月异，分析测试领域迎来了前所未有的发展机遇。分析测试从业人员的规模不断扩大，在新原理、新技术、新材料和新工艺的推动下，分析仪器设备持续迭代升级，应用领域不断拓展深化。为促进分析测试技术的交流、系统梳理行业发展成果、推动分析测试技术创新，中国分析测试协会精心组织编撰了“中国分析测试技术丛书”。
作为该丛书的重要组成部分，本书全面系统地介绍了透射电子显微镜的技术发展历程、仪器构造与工作原理，重点展示了透射电子显微技术的研究进展、典型应用案例及编写团队的创新研究成果。在内容编排上，本书既注重专业深度，又兼顾可读性，不仅适合电子显微学领域的科研人员和分析测试工作者参考，也为物理、化学、生物、材料、信息、能源、环境等学科的高校师生提供了权威的专业读物。
本书秉持“理论联系实际”的编写理念，既注重基础知识的系统性阐述，又强调实践应用的创新性展示。本书旨在培养读者应用透射电子显微学中的各种新技术和新方法解决具体问题的能力，使读者在解决实际问题中逐渐掌握常用的分析方法；同时助力透射电子显微分析领域的发展，为解决“卡脖子”问题、提升透射电子显微分析从业者的技术水平提供支撑。 
本书第一、二章由中国科学技术大学林岳教授编写，主要介绍了透射电子显微技术的发展历史、应用与展望，回顾了部分与透射电子显微镜相关的光学知识，进一步介绍了透射电子显微镜的结构与工作原理，并提供了多种样品制备方法，何大寅、鲁智愚、马宪辉与台晓琳博士在材料整理等方面提供了帮助；第三章由中国科学技术大学孙梅、左鸣老师编写，以结构晶体学为出发点，讲述了利用电子衍射技术表征晶体对称性的原理；第四章由哈尔滨工业大学邹永纯副研究员编写，主要介绍了电子衬度运动学理论，并举例说明如何将其应用于晶体结构缺陷的解析；第五章由哈尔滨理工大学杜青博士编写，讲解了高分辨成像技术的原理及其最新应用实例；第六章由中山大学梁超伦教授、天津大学郭前进教授编写，介绍了扫描透射电子显微方法，包括高角环形暗场（high-angle annular dark-field, HAADF)、环形明场（annular bright-field, ABF）、四维扫描透射电子显微镜（four-dimensional scanning transmission electron microscopy, 4D-STEM）、积分差分相位衬度（integrated differential phase-contrast, iDPC）、电子衍射叠层成像（ptychography）等技术的成像原理及过程，并进一步阐述了X射线能谱、电子能量损失谱的基本原理与分析方法；第七章由武汉大学李丹阳高级工程师编写，讲述了冷冻电镜技术的发展历史，进一步结合其在结构生物学等领域的应用实例，说明成像及数据处理的基本原理；第八章由北京大学鞠晶高级工程师、华中科技大学李露颖教授、武汉大学郑赫教授和李雷高级工程师编写，介绍了新近发展的部分先进透射电子显微技术，包括球差校正透射电子显微技术、原位透射电子显微技术、低压低剂量透射电子显微技术、电子全息术的原理及其应用实例。全书由武汉大学王建波教授、中国科学技术大学林岳教授、哈尔滨工业大学魏大庆教授草拟编写方案并统稿，由武汉理工大学吴劲松教授主审。
本书中的部分研究成果是编写团队在国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学技术协会及中国科学院等的支持下取得的。具体包括国家重点基础研究发展计划（牙种植体表面低模量纳米材料涂层基础研究2012CB933902、基于纳米结构的新型柔性纤维基可编织光伏器件重要基础问题研究2011CB933300）、国家重点研发计划（气候变化和人类活动对海上丝路沿线国家滨海蓝碳生态系统的耦合影响机制与合作研究2022YFE0209300、基于材料基因组工程构建多铁性磁电新材料与新器件2022YFB3807602、低维磁电耦合材料中铁电畴及拓扑结构的多场调控与原型器件2019YFA0307900、超低温复杂应力下铝合金成形极限提高的宏微观变形机制2019YFA0708801、高性能钙钛矿发光材料与器件2022YFA1204800、高效环保型发光及光提取关键材料与器件研究2023YFB3608900）、国家自然科学基金创新研究群体项目（无机表界面合成化学22321001）、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（功能材料的能量存储与转换机理52122212）、中国科协青年人才托举工程（2021QNRC001）以及多项其他国家自然科学基金项目（耐热镁合金高温力学行为的多尺度原位研究12374014、体心立方钨纳米结构原位原子尺度力学形变机理研究52101021、超宽禁带半导体原子尺度结构与电子结构表征及其动态演变52071237、二维过渡金属二硫属化物亚埃尺度原子结构和电子结构表征与演变12074290、3D打印多孔钛合金微弧等离子体复合精整改性工艺及力学疲劳失效机制52001100、3D打印多孔钛耦合UV交联壳聚糖水凝胶仿生三维微环境复合支架的可控设计及其骨再生机制52101284、电子束辐照下二维层状过渡金属二硫族化合物缺陷的产生与修复的原位研究11404314、亚埃尺度下金属纳米颗粒的原位成核与生长研究11874334、金属间化合物的原位生长和相变机制的原子尺度研究12274391）。在此，谨表示衷心的感谢。本书中部分成果获多项奖励，包括2022年度中国分析测试协会科学技术奖二等奖（“聚焦离子束技术在复杂材料表界面加工与原位表征中的应用”）、2018年度中国硅酸盐学会 建筑材料科学技术奖一等奖（“微弧诱导功能陶瓷涂层的可控生长及其使役性能研究”）、2021年度全国电子显微镜学会优秀青年学者奖等。
由于编写时间有限，书中难免有疏漏，恳请广大读者批评指正。

编著者
2025年8月

第一章 绪论 001~018
第一节　透射电子显微技术概述	002
第二节　透射电子显微技术的历史与发展	003
一、透射电子显微技术的历史	003
二、透射电子显微技术的发展	008
第三节　透射电子显微分析的应用与展望	009
一、透射电子显微分析的应用	009
二、透射电子显微分析的展望	011
参考文献	013

第二章 透射电子显微镜结构与工作原理 019~090
第一节　电子光学基础	020
一、电子波特性	020
二、磁透镜	022
三、电子光学与普通光学的相似性	024
第二节　普通光学基础知识	026
一、惠更斯原理	026
二、惠更斯-菲涅耳原理	027
三、衍射分类	029
四、夫琅禾费衍射	030
五、菲涅耳衍射	034
六、小结	035
第三节　磁透镜对成像的影响	036
一、衍射极限分辨率	036
二、磁透镜的球差	039
三、磁透镜的像散	040
四、磁透镜的色差	041
五、电子光学系统的实际分辨率	042
六、磁透镜的焦深与景深	044
第四节　透射电子显微镜的基本原理与构造	045
一、照明系统	046
二、真空系统	052
三、成像系统	056
四、显像系统	065
五、供电控制系统	067
六、计算机控制和附加仪器系统	067
第五节　透射电子显微镜的分辨率和放大倍率的测定	068
一、分辨率及其测定	068
二、放大倍率及其测定	070
第六节　透射电子显微镜样品的制备方法与基本操作	073
一、制备的目的及要求	073
二、粉末、纤维样品的制备	073
三、块状样品的制备	075
四、截面品的制备	081
五、其他样品制备	081
六、载网的选择	084
七、聚焦离子束	086
参考文献	088

第三章 晶体学及电子衍射基础 091~150
第一节　晶体的对称性	092
一、对称操作及对称要素	092
二、平移对称性	095
三、点对称性	097
四、Bravais点阵	099
五、点群	103
六、空间群	106
七、几种典型的晶体结构	107
第二节　倒易点阵的基本概念	109
一、倒易点阵的定义及基矢之间关系	109
二、晶面间距、晶面及晶向夹角	111
第三节　电子衍射的几何原理及理论	114
一、电子衍射的基本原理	114
二、电子衍射花样的几何特征及标定	120
第四节　电子衍射实验方法及应用举例	130
一、选区电子衍射	130
二、纳米束电子衍射	133
三、会聚束电子衍射	135
四、旋进电子衍射	144
五、电子衍射的三维重构	144
参考文献	148

第四章 电子衍衬理论与晶体缺陷分析 151~220
第一节　电子衬度运动学理论概述	152
一、电子显微镜图像衬度	152
二、明场像与暗场像	156
三、运动学理论的基本假设和适用界限	162
四、运动学理论下完整晶体衍射	165
第二节　电子衬度运动学理论过程	173
一、概述	173
二、运动学理论的不足	173
三、完整晶体衍射方程	175
四、非完整晶体衍射方程	176
第三节　缺陷的衍射衬度	177
一、位错与层错的衍衬及定性分析	177
二、位错和层错的衍衬及定量分析	193
三、第二相及界面分析	205
参考文献	219 

第五章 高分辨成像技术及应用 221~242
第一节　概述	222
第二节　高分辨电子显微相位衬度像的成像原理及操作	224
一、基本认识	224
二、样品透射函数	225
三、衬度传递函数	227
四、相位衬度	229
五、相位衬度的产生	230
六、高分辨成像技术的操作步骤	231
第三节　高分辨电子显微相位衬度像的影响因素	232
一、欠焦量、样品厚度对高分辨相位衬度像的影响	232
二、电子束倾斜、样品倾斜对高分辨相位衬度像的影响	234
三、色差系数Cc和会聚角α对高分辨相位衬度像的影响	234
四、高分辨相位衬度像的后处理	235
第四节　高分辨像的计算机模拟技术	235
一、概述	235
二、计算机模拟过程	236
三、常用计算机模拟软件	238
四、计算模拟注意事项和实例	239
参考文献	240

第六章 扫描透射电子显微学及谱学 243~302
第一节　扫描透射电子显微方法	244
一、非相干Z衬度成像原理及过程	244
二、ABF、BF的基本成像原理	254
三、最新技术：4D-STEM，iDPC-STEM，电子衍射叠层成像	258
第二节　X射线能量色散谱（EDS）分析方法	268
一、基本原理	268
二、EDS硬件及其发展	276
第三节　电子能量损失谱（EELS）分析方法	278
一、典型电子能量损失谱的组成及电子与固体相互作用	278
二、电子能量过滤成像系统	284
三、电子能量损失谱的应用	286
四、最新进展	289
参考文献	298

第七章 冷冻电镜技术 303~334
第一节　冷冻电镜发展历史与基本原理	304
一、发展历史	304
二、基本原理	306
第二节　冷冻样品制备	312
一、冲入式冷冻制备技术	312
二、冷冻聚焦离子束减薄技术	317
第三节　数据采集与处理	319
一、数据采集	319
二、数据处理	322
第四节　冷冻电镜的应用	324
一、冷冻电镜在生命科学领域的应用	324
二、冷冻电镜在材料科学领域的应用	328
参考文献	331

第八章 电镜相关先进技术发展及应用 335~405
第一节　球差校正透射电子显微技术	336
一、球差形成的原因和对成像的影响	336
二、球差校正技术	337
三、球差校正透射电镜的操作	343
四、球差校正透射电镜的应用	346
第二节　原位透射电子显微技术	352
一、电子束诱导原位实验	355
二、气氛条件下的原位实验	356
三、原位液体环境下的电镜实验	360
四、原位加热实验	366
五、原位加电实验	367
六、原位力学实验	367
七、原位光学实验	368
八、结语	369
第三节　低压低剂量透射电子显微技术	369
一、电子束对材料的辐照损伤	370
二、辐照损伤的预防和利用	373
三、透射电子显微技术在辐照敏感材料方面的应用	376
第四节　电子全息术及应用	380
参考文献	397

索引 406~409