扫描透射电子显微镜（STEM）

一、测试原理

扫描透射电子显微镜是通过在扫描电镜上配置透射附件得到的一种新型显微镜。扫描透射电子显微镜的成像基本原理如图1所示，是利用会聚电子束在样品上扫描形成的。样品下方安装的具有一定内环孔径的环形探测器同步接收高角散射的电子。当电子束扫描样品某个位置时，环形探测器将同步接收信号并转换成电流强度显示在相连接的电脑显示屏上。因此样品上扫描的每一点与所产生的像点一一对应。连续扫描样品的一个区域，便形成扫描透射像。

图1 扫描透射电镜原理示意图

与传统透射电镜相比，扫描透射电镜加速电压低（50-200 keV），因此可显著减少电子束对样品的损伤，并大大提高图像的衬度，特别适合于水凝胶这类软材料样品的透射分析。

二、成像模式

STEM成像包含明场像（Annular bright field, ABF）、暗场像（Annular dark field, ADF）和备受关注的高角环形暗场像（High angle annular dark field, HAADF）。由于各种成像模式收集的散射信号接收角度不同，因此在实验过程中可一次获取同一位置的不同图像，反应材料的不同信息。

1、环形明场像（ABF）

在STEM中，轴向明场检测器位于透射电子束的照射锥中心，收集的电子偏转角在θ1（θ1<10 mrads）范围内，主要包含透射电子与部分散射电子。通过STEM得到的明场（ABF）像与通过普通透射电镜得到的BF像类似，可以形成各种衬度的像，如弱束像、相位衬度像、晶格像。明场成像分辨率较暗场像更高，通常用于提供与ADF成像结果互补的图像。ABF像衬度与原子序数Z^1/3成正比，因此对化学元素的变化非常敏感，尤其是轻元素。

2、环形暗场像（ADF）

位于在θ2（10 mrads< θ2<50 mrads）范围内的环形暗场检测器接收的电子以布拉格散射电子为主。在同样成像条件下，ADF像相对于ABF像受像差影响更小，因此图像衬度更好。

3、高角环形暗场像（HAADF）

在环形暗场模式下，使用HAADF检测器将接收角度进一步扩大到θ3（θ3>50 mrads）范围时，接收到的主要是高角度非相干散射电子，得到高角环形暗场像（HAADF像），也称Z衬度像。该像为非相干像，是原子列投影的直接成像，其分辨率主要取决于电子束斑的尺寸，因而它比相干像具有更高的分辨率。高角环形暗场像图像衬度不会随着样品的厚度及物镜的聚焦的改变而发生明显的变化，即图像中的亮点一直是亮点，暗的区域一直是暗的，不会随着欠焦量等的变化而致使暗区变亮。且像中亮点的强度与原子序数的平方成正比，即像中的亮点总是对应原子列的位置，因此可以反映出原子的化学成分信息。与X射线能谱分析（EDS）联用，可以对样品中原子分布进行表征。如下图2，a为样品的BF图；b为样品的HAADF图；c为EDS图；d是b和c图的叠加图。

图2 扫描透射电镜图

三、试验步骤

1、样品干燥

制备水凝胶样品时应避免引入无机盐等小分子，以免影响试验结果，如有，可用纯水浸泡去除。将水凝胶样品置于室温下放置过夜，再使用真空干燥箱抽干。

2、样品切片

干燥样品经-70℃冷冻后，使用冷冻超薄切片机，配合金刚石刀制备100 nm厚度切片，避免室温切片导致的结构形变。如果样品强度低，可使用包埋处理。常用的包埋剂有OCT（聚乙二醇和聚乙烯醇的水溶性混合物）、石蜡、环氧树脂。