TEM、HRTEM、STEM——透射電子顯微鏡的三駕馬車

導讀

幾乎任何與材料相關的領域都要用到透射電鏡，而最常用的三大透射電鏡是：普通透射電子顯微鏡（TEM）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和掃描透射電子顯微鏡(STEM)。本期內容介紹三者的殊與同。重點解析在科研中如何適時的運用這三者？

TEM：這裡的TEM專指普通解析度TEM。其主要用來觀察材料的微觀形貌和結構，比如催化劑粉末的輪廓外形，納米粒子的尺寸和形貌。一般普通TEM的解析度在幾個納米數量級。下圖1（多相粉末催化劑）、圖2（納米晶）為典型普通TEM圖形。

圖1

圖2

電子與樣品相互作用後，透射電子主要分為三大類：透射電子，彈性散射電子和非彈性散射電子。這三類電子各司其職，其中透射電子和彈性散射電子均可用於成像。通過調節電鏡參數可以選擇性收集成像電子，如圖3所示。

圖3

如果只選擇透射電子成像，那麼可想而知，沒有樣品的地方，電子透過的最多，所以觀察屏上最亮，樣品越重越厚的地方、電子難以透過就越暗。這就是所謂的「明場像」，光路圖如圖3a所示。這種由於樣品厚薄不均，質量不同而導致的明暗差異被稱為「質厚襯度」，原理於圖4所示。在明場模式下，整個視野內比較明亮，比較利於觀察樣品的大小、尺寸、形貌等信息，圖1，2都為明場像。

圖4

既然有「明場像」，必然就有「暗場像」。所謂「暗場像」是指「收集」散射（衍射）電子成像。因為質量越大、越厚，其散射越強，所以在暗場下其越亮。在沒有樣品處，因為電子散射很少所以越暗，光路圖見如圖3b。雖然暗場模式下整個大視野範圍內比較暗，但是樣品處較亮。特別是滿足布拉格衍射的區域會特別亮。這種因為衍射強度不同，而導致的明暗不同稱為「衍射襯度」。這一暗場下的衍射襯度可以用來分辨樣品中不同區域的晶粒。例如：厚薄均勻的樣品，在明場像中A、B區域沒什麼差別。但是在暗場像中A區域滿足布拉格方程，那麼A區域明亮可見；而B區域不滿足布拉格方程就暗，從而予以鑒別，如圖5所示。PS:明場、暗場並非普通電鏡的專利、STEM中也有明暗場之分。

圖5

HRTEM：從字面意義上很好理解，高分辨電子顯微鏡，顧名思義就是比普通電鏡的解析度更高一些。確實，普通的TEM只能用來看看外觀，很難看到內部結構，如：晶面間距、原子排布等信息。近年來HRTEM發展迅猛，分別率已經達到原子級別（幾埃，甚至零點幾埃）。理論上能夠看清一個一個的原子。所以HRTEM用來觀測晶體內部結構、原子排布以及很多精細結構（比如位錯、孿晶等）。但理論與實際總是有差距。想要從HRTEM中得到準確的材料結構信息並非易事。首先必須保證樣品足夠薄（弱相位近似）和Scheerzer欠焦條件下拍攝的HRTEM像才能正確反應晶體結構,如圖6。很多時候還需要利用軟體模擬構型，然後再與實際照片比對。

圖6

至於為什麼？需要從原理開始分析。高分辨像是相位襯度像，是所有參加成像的衍射束與透射束之間因相位差而形成的干涉圖像。普通TEM要麼採用透射電子，要麼採用散射電子。高分辨是兩者都用。用的電子類別多，對樣品的要求就高。那麼問題來了：在高分辨像下，原子是暗的還是亮的呢？研究表明，當TEM的欠焦量最優時，HRTEM解析度達到最高。這時，對於薄晶體，原子一般呈現暗襯度，即原子是暗的。但實際使用時，有的時候也可以是亮的（請高手指教）。

STEM（HAADF - STEM）：從成像角度來分析，其與前面兩者最大的區別是：TEM和HRTEM的光照射範圍是面，而STEM是一點一點的掃射，然後再收集。一個不恰當的比喻是：一個是手電筒光源，一個是激光器光源。顯然激光器對結構的表徵更加細緻。前面已經提及STEM也有明場和暗場之分。STEM常常和HAADF連用。HAADF是一種高角環狀暗場探測器。示意圖如圖7所示。

圖7

HAADF的作用是收集高角盧瑟福散射電子。為什麼要收集高角散射電子？因為其產生的是非相關高分辨像，可避免TEM和HRTEM中複雜的衍射襯度和相干成像，從而能夠直接反應原子的信息。什麼時候用HAADF-STEM？最簡單的回答是：當你發現TEM，HRTEM還是沒法滿足你的慾望的時候；當你需要看更精細的結構和更低濃度成分的時候；當你需要線掃描的時候，HAADF-STEM也是首選。例如，近年來很火的單原子催化，利用球差STEM才能夠很好的表徵，發現這些單原子，如圖8。

圖8

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