电子显微镜能够将电子束斑照射到样品上，并将其结构细节放大。根据采用电子束斑的特征及成像特点，广泛使用的电子显微镜有透射电子显微镜、扫描电子显微镜和扫描透射电子显微镜。

金属与合金的高分辨电子显微像对于揭示原子尺度的精细结构是非常有意义的，如晶界与相畴界面上的原子排列（见晶体材料界面），非晶态金属中的原子团或微小晶核，合金相中空位的有序分布，拓扑密堆结构中密排层的堆垛与层错，长周期有序结构中不同元素的原子有序化（见有序无序转变）等。透射电子显微镜的分辨率随加速电压增高而提高，目前的高压高分辨电子显微镜使用的电压是500～1000千伏，分辨极限可达0.16～0.20纳米。电压增高使穿透率增大，从而能使用厚度为1～2微米的样品。其优点是可以较接近大块金属的情况，样品也较容易制备。此外，还可以研究高能电子对金属的辐照效应，以及在环境样品室中研究在一些气氛或介质中金属的组织结构变化；使用高压电子显微镜还可以较方便地进行金属的范性形变、疲劳、蠕变等过程中组织结构变化的动态观察。

透射电子显微镜的构造原理与光学显微镜相似，主要由照明系统和成像系统构成（图1）。照明系统包括电子枪和聚光镜。电子枪发射出电子流，经聚光镜形成平行束斑，照射到样品上。成像系统主要包括物镜和投影镜，后者相当于光学显微镜中的目镜。电子束斑与样品相互作用后获得携带样品结构信息的电子波，经过物镜的聚焦成像作用在其像面上产生一次放大像，再经过投影镜在荧光屏上产生二次放大像，可供直接观察或拍摄相片。电子显微镜中所有透镜都是磁透镜，利用电磁场使电子束聚焦。

图1 光学显微镜与电子显微镜的对比

光学显微镜的分辨极限受所用光波波长的限制，大约相当于波长的一半。可见光的波长为0.4～0.7微米，因此不能观察小于0.2微米的细节，放大倍数不过一两千倍。电子具有波粒二象性，电子束斑的加速电压越高，电子波长越短。常用的一些加速电压与电子波的波长见表。

透射电子显微镜常用加速电压与电子波波长

显然，根据电子波长得出的理论分辨极限远小于0.01纳米，但是由于磁透镜的不完美性、电压与电流的波动、仪器的震动、样品的漂移等，透射电子显微镜的实际分辨本领远逊于此值。1939年第一台商品电子显微镜问世（1932年在实验室中就已研制成功），使用单聚光镜和两个成像透镜，分辨本领优于10纳米。到21世纪，电子显微镜普遍采用多级聚光镜和多级成像透镜（即在物镜与投影镜之间安装1～2个中间镜），可放大一百万倍，分辨本领为0.2～0.3纳米。球差矫正器的发明和应用将极限分辨率减小到0.1纳米以下，可直接观察原子像。由此可见，放大倍数高、分辨极限可以小到原子尺度是透射电子显微镜最显著的特点。

电子波被晶体中的原子散射后发生干涉而形成图像。根据阿贝的光学显微镜衍射成像原理，当一平行光束照射到一光栅上，除了透射束也就是0级衍射束外，还会产生各级衍射束；经过透镜的聚焦作用，在其后焦面上产生衍射振幅的极大值，即图2中的……-1，0，1，……等各级衍射斑。每一个衍射振幅极大值都是一个次级振动中心，由这里发出的次级波在像平面上干涉成像。这个原理完全适用于透射电子显微镜中物镜的成像作用，晶体对于电子束就是一个三维光栅。通过分析透射电子显微镜给出的电子衍射图，可以研究晶体结构和晶体缺陷。

图2 阿贝衍射成像原理

电子显微镜中，物镜产生的一次放大像还要经过中间镜和投影镜的放大作用而得到最终的放大像。中间镜的物面与物镜的像面相重，投影镜的物面与中间镜的像面相重。中间镜把物镜给出的放大像投射到中间镜的像面（投影镜的物面）上，再由投影镜把它投射到荧光屏上。根据阿贝的衍射成像理论，在物镜的后焦面上有衍射谱，这就可以通过减弱中间镜电流使其物面与物镜的后焦面相重而得到一次放大的衍射图，再经过投影镜的放大作用，最后得到二次放大的电子衍射图。

图3 NiCl₂·2H₂O单晶的电子显微像

图3a是一个NiCl₂·2H₂O单晶的电子显微像，图3d是中间镜的物面与物镜的后焦面相重而得到的电子衍射图。图3b属于中间镜物面与物镜后焦面相距较远的情况，可以看作不聚焦的多重像，但已显示衍射图的六次对称特征。实际上每个小像就是一个衍射斑点变成的暗场像，中心的透射斑点变成明场像。图3c属于中间镜物面与物镜后焦面相距不远的情况，可以看作不聚焦的衍射图，每个强衍射斑已有和图3a所示的晶体外形相似的雏形。图3b及图3c既有像的特征，又有衍射图的特征。图3中一系列从成像变换到衍射图的照片清楚地说明了阿贝的衍射成像理论，并为透射电子显微镜进行各种电子衍射和成像实验开辟了途径。

为了研究样品上一个较小区域的晶体结构，可在物镜的像面处放置一个视场光阑（图2），大于此的成像电子束就会被视场光阑挡住，不能进入中间镜，这就相当于在样品上选择了范围为O₁O₁′的视场。通过选择一次放大像的范围可以限制成像或产生衍射的样品范围，如1微米或更小一些，这称为选区衍射（selected area diffraction，简写为SAD）或小区衍射（small area diffraction，简写也是SAD）。

晶体在透射电子显微镜中的成像与衍射密切相关，像的衬度也是由衍射的振幅大小决定的，称衍衬（diffraction contrast）。为得到清晰的衬度，可调整晶体样品的取向，使得除透射电子束外，只出现一个很强的衍射束，一般称为双光束情况。可用物镜光阑挡住衍射束，只让透射束成明场像（图4a）；也可用物镜光阑挡住透射束，让一个衍射束成暗场像（图4b）。从图3b可以看出，与明场像正好相反，衍射束成的暗场像的背景是暗的，像是亮的。在图4b的情况下，由于衍射束偏离光轴，暗场像朝一个方向拉长，分辨率不高。图4c是用偏转线圈使入射电子束倾斜一个角度照射到样品上，从而使衍射束与光轴相重，这样得到的暗场像分辨率高。上述成像方法都称为选择衍射成像。

图4 选择衍射成像示意图

为了直接观察金属薄膜样品，首先要将大块金属轧制或切割成薄片，再经研磨达到几微米或几十微米厚度，然后经化学蚀刻、电解抛光或离子剥离方法减薄到几千埃的厚度。这种直接观察的优点是可以得到有关金属样品的大量晶体学资料，如晶体取向，第二相的类型，基体中的空位团、位错、层错等晶体缺陷等。图5是一种镍基高温合金中的位错线的电子显微像，显然这些位错线排列在平行的{111}滑移面上。一方面，利用透射电子显微镜，不但可以观察在形变过程中位错的运动、交互作用和组态，还可以确定位错的柏氏矢量。这对于研究晶体的微观范性形变有重要意义。另一方面，还可以观察合金中第二相析出的过程，特别是它们与位错的交互作用，有时第二相在位错线上成核长大；有时第二相的析出产生的畸变会使其周围基体中出现很多位错。位错是一种原子尺度的缺陷，这里观察到的位错线并不是位错线本身，而是其畸变区的衍衬像。尽管如此，这种观察也是很有意义的。

图5 镍基高温合金中位错线的电子显微像

如果金属薄膜的厚度可以减薄到10纳米甚至更薄，而透射电子显微镜的分辨率足够高，就可以直接观察到金属的点阵像甚至单个原子。图6是金膜的（200）点阵平面像，这些条纹间的距离是0.204纳米，相当于金的（200）点阵平面间距。这是选择一列衍射所成的二维点阵像，如果选择更多的衍射成像，甚至还可以观察到单个原子，如图7是金原子在（111）点阵平面上的分布。这种非常薄的金属膜，对电子的散射只影响电子波的位相而不影响其振幅，样品称为薄位相体，像的衬度称为位相衬度。这与选择衍射成像中的衍衬是不一样的。

图6 金膜的（200）点阵平面像

图7 金原子在（111）点阵平面上的分布

扫描电子显微镜的结构特点是聚焦电子束在样品表面做面扫描，利用由此所产生的二次电子或其他信号调制一个做同步扫描的显像管的发射电流，就会在屏上显示出样品表面上扫描区域的像。像的放大倍数决定于聚焦电子束扫描的线性长度，如为0.1毫米，显像管上像的线性长度为100毫米，则像的放大倍数为1000。因由样品表面发出的二次电子等信号不再经过任何透镜而直接用来成像，所以像的分辨率决定于照射到样品上的聚焦电子束的焦斑大小。电子光学和磁透镜的发展使得缩小电子束焦斑到几十埃甚至几埃都是可能的，但由于电子束的束流和样品发出的信号都随电子束直径的变小而显著减弱（接近于3次方的正比关系），因此，提高电子枪的亮度和改进信号接收系统便成为发展和改进扫描电子显微镜的关键。

使用发叉式钨丝做热阴极的扫描电子显微镜的分辨率已优于10纳米。用LaB₆热阴极的电子枪，亮度要比用钨丝热阴极亮一二个量级，且所需要的10^-4～10^-5帕的真空是不难得到的，现已广泛在商品扫描电子显微镜中采用，可将分辨率提高到4～6纳米。场发射电子枪的发射源为点状钨丝阴极，其尖端的曲率半径大约是25纳米。在靠近钨丝尖端处的阳极加5千瓦正电压，使阴极尖端处电场高达10⁸～10⁹伏/毫米，可借此把电子拉出来（场发射）。场发射电子枪的亮度很高，比用LaB₆的电子枪还要高几十倍。使用场发射电子枪的扫描电子显微镜，分辨率可达3纳米，但需要10^-7～10^-8帕高真空，并且在使用几小时后就需要真空处理，不够方便。扫描电子显微镜中最常用的成像信息是二次电子。它是由能量较高的电子与样品中原子产生交互作用而使后者中的外层电子逸出，能量大都在50电子伏以下。在二次电子探头前加几百伏的正电压，就可以将样品表面发出的二次电子捕集起来，并与能量较高的背散射电子分离开来。由于二次电子能量低，仅在样品表面5～10纳米层内产生的二次电子才有可能从表面逸出，因此对样品表面状态非常敏感，显示表面的微观结构非常有效。另外，在这么浅的表面层内，入射电子还没有经过多次散射，产生二次电子的区域与入射电子束的照射面积无多大区别，因此用二次电子成像可以得到较高的分辨率。扫描电子显微镜的焦深长，分辨率高，放大倍数可由20倍直接连续变化到10万倍，在特制的样品台上可以直接观察大到100毫米×100毫米的凹凸不平的样品，并且可以利用多种信息成像，如二次电子、背散射电子、吸收电子、阴极发光、电子束电导、特征X射线等。图8是一种钢的沿晶界断裂的断口像，尽管断口表面不平，奥氏体晶粒还是很清晰。

图8 钢的沿晶界断裂的断口像

电子束照射到样品上，除了产生二次电子外，还会激发出组成元素的特征X射线。对于不同元素，它们的特征X射线的波长和能量并不相同，而且有确定的数值。可利用分析晶体将不同波长的X射线分开，也可以用硅渗锂的探测器与多道分析器把能量不同的X射线光子分别记录下来，给出X射线能谱曲线。图9中，纵坐标是X射线光子数，横坐标分别是能量级别和波长。为了与波长色散谱仪对比，这种按X射线光子的能量展谱的装置称为能量色散谱仪（能谱仪）。显然，波谱的谱线要比能谱敏锐得多，相邻的谱线可以清晰地分开，这对于定性和定量分析都大有益处。但是为了展谱，谱仪的聚焦圆一般是150～250毫米，照射到分析晶体上的X射线的立体角非常小，利用率很低，不宜在束流低（＜10^-9安）的情况下使用。能谱谱线的峰背比低，但是计数率高，在束流低到10^-11安时仍能有足够的计数，因此允许使用微细的电子束（如10纳米或更小一些）分析很微小的区域。另外它还有X射线不需聚焦，对样品表面不平不敏感，以及分析速度快（约1分钟）的优点。由于波谱分析和能谱分析相辅相成，因此扫描电子显微镜常同时装备这两种分析仪器。如果成分分析的灵敏度与准确度要求不是很高，绝大多数商业扫描电子显微镜仅配有能谱仪。

图9 因瓦合金夹杂物的色谱图比较

在透射电子显微镜中，通过调整会聚镜设置，用电子束代替平行入射光束，形成会聚成点的电子束斑，从而在薄膜样品上面扫描进行成像和分析；在扫描电子显微镜中，为采集从样品表面发出的信号需要安装各种信号的探测器，这样不得不将样品到物镜的距离加大到约10毫米，这使其分辨率停留在几十埃到一百埃的水平上。如果使用薄膜样品，则可以采集透过样品的信号进行成像分析，可将样品移至距物镜较近的位置，显著提高其分辨率。特别是引入球差校正器后，扫描透射电子显微镜的分辨率也已达到＜0.1纳米，在晶体缺陷的衍衬像、晶体的点阵像以及单个原子成像诸方面都已达到较高水平。

扫描透射电子显微镜比较突出的进展还是在透射电子显微镜中添加环行暗场电子及X射线探测器，变成一个微区成分和微区晶体结构分析的有力工具。将电子束聚焦到样品上，不但能观察0.1纳米的组织形貌细节，还可以从X射线能谱分析及电子能量损失谱中得出这么微小区域的化学成分，从微区电子衍射得到它的晶体结构资料，这是近几年来电子显微学中发展较快的领域，称为分析电子显微学。