透射电镜（TEM）VS扫描电镜（SEM）：高分子材料微观结构表征该选谁？
2025-10-28透射电子显微镜(缩写TEM)，简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子東投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像将在放大、聚焦后在成像器件(如荧光屏、胶片、以及感光耦合组件)上显示出来。由于电子的德布罗意波长非常短，透射电子显微镜的分辨率比光学显微镜高的很多，可以达到0.1~0.2nm，放大倍数为几万~百万倍。因此，使用透射电子显微镜可以用于观察样品的精细结构，甚至可以用于观察仅仅一列原子的结构，比光学显微镜所能够观察到的最小的结构小数万倍。
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透射电子显微镜
对于材料科学的研究而言，TEM已经成为了一种不可或缺的研究工具，以至于在今天，已经很难想象没有TEM的帮助我们如何深入开展材料科学的研究工作。
下面我简单地列举TEM在材料科学研究中的6个常见用途:
(a)对样品进行一般形貌观察;
(b)利用电子衍射、微区电子衍射、会聚束电子衍射物等技术对样品进行物相分析，从而确定材料的物相、晶系，甚至空间群;
(c)利用高分辨电子显微术可以直接"看"到晶体中原子或原子团在特定方向上的结构投影这一特点，确定晶体结构，大于100nm物体用低压、低分辨电镜即可观察。介于100nm-10nm 之间的物体用高压、低分辨电镜勉强可见。小于10nm的物体必须选用高压、高分辨电镜才能够进行观察。
(d)利用衍衬像和高分辨电子显微像技术，观察晶体中存在的结构缺陷，确定缺陷的种类、估算缺陷密度;界面观察选用低压、低分辨电镜。位错观察可用高压、低分辨电镜，选用高压、高分辨为佳。层错观察选用高压、高分辨电镜。典位错观察方法是金相腐蚀法，指通过腐蚀使位错露头形成“蚀坑”，使其可见，是间接观察，效果较差。高压、低分辨透射电镜可以直接观察位错，效果好。高压、高分辨透射电镜可以直接观察位错，效果更好。
(e)利用TEM所附加的能量色散X射线谱仪或电子能量损失谱仪对样品的微区化学成分进行分析;
（f）利用带有扫描附件和能量色散X射线谱仪的TEM，或者利用带有图像过滤器的TEM，对样品中的元素分布进行分析，确定样品中是否有成分偏析。
2.1 核心原理与成像方式
扫描电镜SEM用聚焦电子束扫描样品表面，电子与样品相互作用产生多种信号，通过探测器收集信号并转换为图像。SEM成像依赖表面信号，可以反映样品的表面形貌、搭配能谱仪可以反映样品的成分分布情况等。
透射电镜TEM用高能电子束穿透超薄样品，电子与样品发生散射，通过电磁透镜聚焦形成透射电子图像。成像依赖穿透电子的散射差异，可反映样品内部晶体结构、原子排列、缺陷等。
2.2 分辨率与放大倍数
SEM的表面分辨率可以达到1-10nm，主要观察微米至纳米级的表面细节。SEM的放大倍数通常为10-105倍，覆盖宏观到纳米的观察范围。
TEM的空间分辨率可以达到0.1-0.2nm，能直接观察原子排列，晶格条纹等亚纳米级结构。TEM的放大倍数通常可达到107倍，可用于原子级别分析。
2.3 样品要求
SEM检测对样品没有明显要求，但需要导电（非导电样品需要喷金/喷碳处理，避免电荷累积）。
TEM检测的样品必须满足薄到电子可以穿透（通常为5-100nm），需要经过复杂制备（如离子减薄、电解双喷或聚焦离子束切割）。TEM样品尺寸小，通常装在在直径为3mm的铜网上，且需避免污染。
2.4 如何选择SEM与TEM？
关注 “表面信息”：选 SEM
需观察样品表面形貌（如断裂纹路、颗粒分布、涂层表面缺陷、生物组织表面结构等）。
需分析表面/微米级区域的成分分布（结合 EDS，确定元素分布）
关注 “内部结构/原子级信息”：选 TEM
需观察样品内部的晶体结构（如晶格排列、相分布）、缺陷（位错、空位）、界面结构（如异质结、层间结构）。
需分析纳米级甚至原子级细节（如纳米颗粒的尺寸与结晶性、单原子分散状态）。
3.1 必须足够薄：普通TEM要求样品厚度在50-200nm，高分辨TEM（HRTEM）则需在50nm以内，否则电子束无法穿透，只能看到模糊的“黑影”。
3.2 必须无损伤：制备过程中不能引入应力、污染或结构改变（如金属样品氧化、高分子样品变形），否则观察到的不是样品“本貌”；
3.3 必须定位精准：如需观察特定区域（如材料的缺陷、细胞特定的细胞器），需提前标记并确保制备后目标区域保留。
4.1 高分子材料改性研究
填充改性:TEM可用于观察高分子材料中填充物的分布、形态及与基体的界面结合情况，为填充改性提供重要信息。
共混改性:通过TEM观察高分子共混体系的微观结构，如相分离、相界面、分散程度等，有助于优化共混配比和工艺条件。
功能化改性:在功能化高分子材料中，TEM可用于观察功能基团的引入对材料微观结构的影响，以及功能化后的性能变化。
4.2 高分子材料应用性能评估
力学性能:TEM可用于观察高分子材料的微观缺陷、裂纹扩展等，评估其力学性能。
热性能:通过原位加热TEM技术，可以观察高分子材料在高温下的微观结构变化，评估其热稳定性。
电性能:对于导电高分子材料，TEM可用于观察其导电通道的分布和形态，评估其电性能。
