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臺式場發射掃描-透射（SEM—STEM）電子顯微鏡應用案例分享

時間：2024-5-14 閱讀：1162

在材料研發的過程中，檢測材料的形貌細節和品質，需要各個方位地了解樣品。掃描電鏡是科學研究過程中強有力的表征工具，高分辨成像可以揭示材料細節。現在一些比較好的掃描電鏡可以提供一種先進的成像技術--透射模式（Scanning transmission eletron microscopy，STEM），這種成像模式可以呈現出與 SEM 圖像不同的信息。

STEM 模式和 SEM 成像效果有什么不同？

以導電納米復合材料的研究為例，不同制備方法得到的碳納米管的厚度和長度有所不同。對碳納米管進行準確的表征非常重要（包括長寬比），因為這些參數直接影響了復合材料的機械性能和導電性能。

但是在實際的表征過程中，通常很容易忽略一些細節。以下是碳納米管的二次電子模式（SED）和掃描透射模式（STEM）下的成像效果。

碳納米管的 SED 圖（上）和 STEM 圖（下）

在掃描電鏡的 SED 圖中可以直觀顯示碳納米管的粗細，以及碳納米管之間的交織狀態。但是在 STEM 圖中，可以看到隱藏在 3D 結構中的小顆粒，這些顆粒在 SEM 圖中是無法看到的。

STEM 模式有哪些成像模式？

STEM 成像包括明場像（bright field，簡稱 BF），暗場像（dark field，簡稱 DF）以及高角度環形暗場像（high-angle annular dark field，簡稱 HAADF）。

明場（BF）、暗場（DF）和高角度環形暗場（HAADF）成像示意圖和成像對比圖

BF 像

主要是樣品正下方同軸的探測器接收透射電子和部分散射電子。影響明場像襯度（Contrast）的主要因素是樣品的厚度和成分。樣品越厚，原子序數（Z）越大，穿透樣品的電子越少，圖像就越暗，因此 BF 像對輕元素（Z 較小）比較敏感。

DF 像

主要是樣品下方非同軸位置的探測器接收散射電子信號。

HAADF 像

主要是接收高角度的非相干散射電子信號。原子序數（Z）越大，散射角也越大，原子核對入射電子的散射作用越強，圖像上更亮。因此又被稱為 Z 襯度像。

應用案例

三種成像模式各有特點，具有不同的成像優勢，可以根據樣品情況搭配使用，成像結果進行互相驗證。

案例一：煙草花葉病毒

煙草花葉病毒的BSE 像、BF 像、 DF 像和 HAADF 像

對比掃描電鏡的背散射電子圖像（BSE），桿狀的煙草花葉病毒在 BF 模式下更加直觀。BF 模式更適合觀察輕元素（Z 較小），輕元素散射作用較弱，因此在 HAADF 模式下較難清晰觀測細節。

而桿狀煙草花葉病毒周圍較厚的脂質球，電子較難穿透，BF 像上相對較暗。在 DF 模式下，密度較大的脂質球表現出較強的衍射，因此在 DF 像上相對較亮。

案例二：多壁碳納米管及其催化劑

多壁碳納米管的 BF 像和 HAADF 像，放大倍數：20,000X

根據成像特點，圖 A 的 BF 像，紅色標記部位可能是原子序數（Z）更大的催化劑的位置（并不絕對）。但是在圖 B 的 HAADF 像上，紅色標記位置，并未顯示為明顯的“亮點"，而黃色標記部位才是真正的催化劑存在的位置。可以看出 HAADF 成像在類似案例中可以體現出高 Z 襯度關聯性的成像優勢。

案例三：被腎小囊包裹的正常腎小球

小鼠腎標本樣品（腎小球和臨近的腎血管）的 STEM 圖。紅色箭頭處可以看到含有紅細胞的腎小球毛細血管，毛細血管被腎小球基底膜和足細胞的足突包圍。

上圖為被腎小囊（Bowman's capsule）包裹的正常腎小球的超微結構。 STEM 圖顯示了正常腎小球毛細血管袢和腎小球系膜，與 TEM 下的微觀圖像類似（Moss and Shore，2002）。STEM 圖中的紅色箭頭處清晰顯示了腎小球基底膜、系膜基質、系膜胞質、足細胞足突的細節以及與基底膜毗鄰的裂孔結構。STEM 圖像顯示了高分辨的超微結構，圖像襯度明顯，可以快速捕捉到極小的細胞變化，并快速分析感興趣部位的微觀結構。

案例四：正常的小鼠胰腺腺泡細胞