TEM、HRTEM、STEM——透射电子显微镜的三驾马车

本文授权转载自微信公众号研之成理（rationalscience），原作者：CCL

几何任何与材料相关的领域都要用到透射电镜，而最常用的三大透射电镜是：普通透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和扫描透射电子显微镜(STEM)。本期内容介绍三者的殊与同。重点解析在科研中如何适时的运用这三者？

TEM：这里的TEM专指普通分辨率TEM。其主要用来观察材料的微观形貌和结构，比如催化剂粉末的轮廓外形，纳米粒子的尺寸和形貌。一般普通TEM的分辨率在几个纳米数量级。下图1（多相粉末催化剂）、图2（纳米晶）为典型普通TEM图形。

图1

图2

电子与样品相互作用后，透射电子主要分为三大类：透射电子，弹性散射电子和非弹性散射电子。这三类电子各司其职，其中透射电子和弹性散射电子均可用于成像。通过调节电镜参数可以选择性收集成像电子，如图3所示。

图3

如果只选择透射电子成像，那么可想而知，没有样品的地方，电子透过的最多，所以观察屏上最亮，样品越重越厚的地方、电子难以透过就越暗。这就是所谓的“明场像”，光路图如图3a所示。这种由于样品厚薄不均，质量不同而导致的明暗差异被称为“质厚衬度”，原理于图4所示。在明场模式下，整个视野内比较明亮，比较利于观察样品的大小、尺寸、形貌等信息，图1，2都为明场像。

图4

既然有“明场像”，必然就有“暗场像”。所谓“暗场像”是指“收集”散射（衍射）电子成像。因为质量越大、越厚，其散射越强，所以在暗场下其越亮。在没有样品处，因为电子散射很少所以越暗，光路图见如图3b。虽然暗场模式下整个大视野范围内比较暗，但是样品处较亮。特别是满足布拉格衍射的区域会特别亮。这种因为衍射强度不同，而导致的明暗不同称为“衍射衬度”。这一暗场下的衍射衬度可以用来分辨样品中不同区域的晶粒。例如：厚薄均匀的样品，在明场像中A、B区域没什么差别。但是在暗场像中A区域满足布拉格方程，那么A区域明亮可见；而B区域不满足布拉格方程就暗，从而予以鉴别，如图5所示。PS:明场、暗场并非普通电镜的专利、STEM中也有明暗场之分。

图5

HRTEM：从字面意义上很好理解，高分辨电子显微镜，顾名思义就是比普通电镜的分辨率更高一些。确实，普通的TEM只能用来看看外观，很难看到内部结构，如：晶面间距、原子排布等信息。近年来HRTEM发展迅猛，分别率已经达到原子级别（几埃，甚至零点几埃）。理论上能够看清一个一个的原子。所以HRTEM用来观测晶体内部结构、原子排布以及很多精细结构（比如位错、孪晶等）。但理论与实际总是有差距。想要从HRTEM中得到准确的材料结构信息并非易事。首先必须保证样品足够薄（弱相位近似）和Scheerzer欠焦条件下拍摄的HRTEM像才能正确反应晶体结构,如图6。很多时候还需要利用软件模拟构型，然后再与实际照片比对。

图6

至于为什么？需要从原理开始分析。高分辨像是相位衬度像，是所有参加成像的衍射束与透射束之间因相位差而形成的干涉图像。普通TEM要么采用透射电子，要么采用散射电子。高分辨是两者都用。用的电子类别多，对样品的要求就高。那么问题来了：在高分辨像下，原子是暗的还是亮的呢？研究表明，当TEM的欠焦量最优时，HRTEM分辨率达到最高。这时，对于薄晶体，原子一般呈现暗衬度，即原子是暗的。但实际使用时，有的时候也可以是亮的（请高手指教）。

STEM（HAADF – STEM）：从成像角度来分析，其与前面两者最大的区别是：TEM和HRTEM的光照射范围是面，而STEM是一点一点的扫射，然后再收集。一个不恰当的比喻是：一个是手电筒光源，一个是激光器光源。显然激光器对结构的表征更加细致。前面已经提及STEM也有明场和暗场之分。STEM常常和HAADF连用。HAADF是一种高角环状暗场探测器。示意图如图7所示。

图7

HAADF的作用是收集高角卢瑟福散射电子。为什么要收集高角散射电子？因为其产生的是非相关高分辨像，可避免TEM和HRTEM中复杂的衍射衬度和相干成像，从而能够直接反应原子的信息。什么时候用HAADF-STEM？最简单的回答是：当你发现TEM，HRTEM还是没法满足你的欲望的时候；当你需要看更精细的结构和更低浓度成分的时候；当你需要线扫描的时候，HAADF-STEM也是首选。例如，近年来很火的单原子催化，利用球差STEM才能够很好的表征，发现这些单原子，如图8。

图8

下次内容将以具体实例，展现TEM、HRTEM、STEM的灵活运用。