TEM测试(透射电镜)——STEM成像的原理及特点
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发布时间：2024-09-06 05:10
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时间：2024-09-18 19:07
我们不妨先复习一下
TEM中是如何形成明场像和暗场像？
使用物镜光阑来选择TEM中的透射束或某一散射束来分别形成明场像或暗场像。
下面一起来认识STEM成像吧~
STEM成像采用类似的方法选择透射束或散射束，区别是使用探头来取代物镜光阑进行电子束的选择。
在后焦面的共轭面上插入沿中心轴的明场（BF）探头和环形暗场（ADF）探头，通过调整样品下方的透镜（成像透镜）来改变相机常数进而控制哪些电子撞击在探头上并参与成像。
如果物镜是对称的而且下物镜极靴足够强，物镜后焦面上会形成静态衍射花样（即使电子束在扫描，这个花样也不会移动，因为衍射花样与物镜前焦面（FFP）共轭，如下图所示：
如果停止电子束扫描，将在后焦面形成CBED花样，而且能投影到TEM荧光屏上。
1、明场STEM像
扫描模式成像的基本原理与TEM的静态电子束成像有着本质区别。之前已经看到，TEM模式是选择从样品某一区域散射出来的部分电子，并将其投影分布在荧光屏上。
而扫描像形成的原理如下图所示：
简单来说，通过调节扫描线圈使电子束在样品上扫描，同时利用这些线圈在计算机显示器上同步显示，而电子探测器作为来自样品的电子和显示屏上所显示图像之间的转换器。
由于有时需要多达2048条扫描线才能在记录屏上构成一幅图像，所以产生一幅STEM像的过程比TEM像慢：它是串行记录并非并行记录。
这个过程的原理和其他任何扫描束设备是完全一样的，例如SEM和STM（扫描隧道显微镜）。
记住，要形成TEM明场像，需要在TEM衍射花样所在平面插入光阑，只允许透射束电子通过并进入成像系统。在STEM模式下用的是电子探测器，与光阑的使用方式完全相同：只允许对成像有贡献的电子进入探测器。所以把BF探测器（半导体或闪烁体探测器）放到显微镜的光轴上，如下图A所示：
这样，不管电子束在样品的什么位置上扫描，只允许透射电子进入探测器。从探测器输出的可变信号通过放大系统可以调制计算机显示器上的信号，这样就形成了图D所示的明场像。
由于会与物镜光阑冲突，所以在透射电镜中不能直接把探测器放到物镜后焦面上形成STEM图像。因此，通常把探测器插入到投影下方的静态衍射花样的共轭面上。（如图7B所示）。
所以当在TEM中形成STEM像时，要以衍射模式操作TEM并在观察室内屏幕的上方或下方插入一个探测器（下方时要抬屏）。静态衍射花样落在探测器上，进而将信号输出给显示器。在DSTEM中，可能没有任何成像系统（或者说在样品后方的）透镜，这种情况下，探测器直接放置在物镜下方。
2、暗场STEM像
这个过程与TEM中的暗场像类似。
通过选择散射电子而不是透射电子束形成暗场像。请记住，在TEM中通过倾转入射束使用于成像的散射电子沿光轴向下运动，并通过物镜光阑选择。而在STEM中，所使用的方法有很大的差别。
暗场STEM像
如果想使特定的散射电子束进入BF探测器，可以简单地通过移动静态衍射花样使散射束位于光轴上，并且进入BF探测器。
用衍射花样对中控制可以很容易实现这一点，也可以通过移动C2光阑实现。但更倾向于采用前者，因为后者会破坏照明系统的对中。
3、环形暗场像
通过使用环绕着BF探测器的环形探测器来实现暗场像，而不用BF探测器成暗场像，这样所有的散射电子就都可以进入探测器，称为环形暗场像（ADF）像。
它具有一些优点，与样品成像的衬度机制有关。如上图7A所示，ADF探测器（收集小角度下小于3°的前向散射）与光轴同心，中间有孔，其内放置BF探测器（这种探测器主要收集轴上前向散射电子）。在这个简单例子中，最后得到的ADF像（见图7C）和明场像（图7D）互补。
还有一种围绕ADF的环形探测器，接收高角度散射电子形成高角环形暗场像（HAADF，或称为Z衬度），这时，Rutherford散射效应最大，而衍射衬度被平滑掉。
当然，可以随意选择自己希望的探测器大小和形状。例如，可以把探测器分成两部分或四部分，而且探测器各部分之前都有自己独立的电子系统。这样就能对进入探测器不同部分的电子成像。由于用来选择电子的物镜光阑是一个孔，而且不能像半导体探测器那样被切开，所以在TEM中不可能这样做。
4、STEM中的放大倍数
所有STEM图像都是以一定的放大倍速出现在计算机显示器上的，放大倍数是由样品被扫描的范围而并非TEM透射决定的。这是扫描像和静态像形成的本质区别。
扫描像不是通过透镜放大的，因而它不会受成像系统像差的影响，但是受探针本身的像差影响。因此，可以通过（照明系统）像差校正器提高图像质量。
如果样品上的扫描区域是10mm*10mm，并且最终显示在计算机显示器上的像面积为100mm*100mm，那么放大倍数就是10倍。如果扫描的尺度减小到1mm，放大倍数就是100倍，以此类推，直到放大倍数超过10^7倍，这个量级的放大倍数在专用STEM中是很普遍的。与使用TEM类似，必须校准STEM的放大倍数和用于形成图像的衍射花样的相机长度。
