掃描電鏡透射模式（STEM）的成像原理及應用

在掃描電鏡中，電子束與薄樣品相互作用時，會有一部分電子透過樣品，這一部分透射電子也可用來成像，其形成的像就是掃描透射像（STEM像）。如圖1所示，掃描電鏡的STEM圖像跟透射電鏡類似，也分為明場像（bright field，BF）和暗場像（dark field，DF），明場像的探測器安裝在掃描電鏡樣品的正下方，當入射電子束穿過樣品后，散射角度較小的電子經過光闌孔選擇后進入明場探測器形成透射明場像，散射角比較大的電子經DF-STEM電極板反射，由二次電子探頭接受形成暗場像。由于掃描電鏡中暗場像的信號較弱，在此我們主要討論明場像。

2.1透射像的襯度

透射電子像的形成主要是入射電子束與樣品發生相互作用，當電子束穿過樣品逸出下表面時，電子束的強度發生了變化，從而投影到熒光屏上的強度是不均勻的，這種強度不均勻就形成了透射像。通常以襯度（Contrast，C）來描述透射電子所成的像，襯度指樣品電子像上相鄰區域的電子束強度差，即圖像的對比度，可以下式表示：

式中，I1為電子像中樣品某區域的電子束強度，I₂為相鄰區域的電子束強度。通常，人眼不能分辨小于5%的襯度差別，甚至區分10%的襯度差別也有困難，但是用CCD相機等記錄下數字化的電子化圖像，再進行處理可增大襯度使人眼能夠分辨。

電子束被樣品散射后，根據樣品的性質不同，電子束的振幅和相位會發生相應的改變，形成振幅襯度像和相位襯度像，其中由于樣品的質量(原子序數、密度等)或者厚度的差異造成的透射電子束強度的差異而形成的襯度稱為質厚襯度，非晶材料的透射像襯度主要為質厚襯度像，如圖2所示，入射電子透過樣品時碰到的原子數越多即樣品越厚，或者樣品原子核庫侖電場越強即原子序數或密度越大，被散射的大角度的電子越多，被擋在物鏡光闌之外越多，成像系統接受的電子數越少，那么襯度高，反之襯度越低。

通過推導計算可得到質厚襯度的公式：

式中，C為質厚襯度，N_A為阿伏伽德羅常數，e為電子電荷，V為透射電鏡的加速電壓，θ為散射角，Z₂，Z₁分別為產生襯度的樣品兩部分的原子序數，ρ₂，ρ₁為兩部分的密度，t₂，t₁為兩部分的厚度，A₂，A₁是兩部分的相對原子質量。由此可見，質厚襯度與加速電壓、散射角、原子序數、密度和厚度都有關。生物、有機高分子類樣品主要由輕元素組成，原子序數相差小，對電子的散射幾率小，因此襯度低，通過降低加速電壓的方法可提高襯度。

2.2掃描電鏡STEM模式的應用

透射電鏡的加速電壓較高(一般為120-200kV)，對于有機高分子、生物等軟材料樣品的穿透能力強，形成的透射像襯度低，而掃描電鏡的加速電壓較低(一般用10^-30kV)，因此應用其STEM模式成透射像，可大大提高像的襯度。圖3所示為有機太陽能電池用的高分子/富勒烯薄膜（有機固體實驗室樣品）的透射電子像，在用透射電鏡觀察其分相結構時，由于兩部分襯度都低，因此幾乎無法區分，而應用掃描電鏡的STEM模式觀察時，可清楚地觀察到兩相的結構。

應用透射電鏡觀察生物樣品時，由于樣品的襯度很低，須經過鈾、鉛等重金 屬染色才能獲得其結構信息，然而染色不僅麻煩而且可能會改變樣品的結構。在 應用掃描電鏡的STEM模式觀察生物樣品時，樣品無需染色直接觀察即可獲得較 高襯度的圖像，圖4為應用STEM模式觀察得到的未染色的生物品的電鏡圖，可 以看到其納米尺度的片層結構。

除了可顯著提高透射像的襯度外，應用掃描電鏡STEM成像還有一個優勢是可對樣品同時成掃描二次電子像和透射像，既可以得到同一位置的表面形貌信息又可以得到內部結構信息，避免了在掃描電鏡和透射電鏡之間轉換樣品、定位樣品的麻煩。圖5所示為應用掃描電鏡觀察有機螺旋納米線(光化學實驗室樣品)得到的二次電子像和透射像(STEM明場像和暗場像)，從二次電子像可以清楚地觀察到納米線的螺旋結構，從透射像可以看出納米線是實心結構非空心管結構。

總之，隨著科學研究的深入對于物質結構分析的要求越來越高，掃描電鏡STEM透射模式由于其襯度高、損傷小等特點，非常適合于有機高分子、生物等軟材料的結構分析，將在此類材料的分析表征中發揮不可替代的作用。