扫描电子显微镜中扫描透射电子显微术（STEM）成像的研究进展

低电子束能量透射电子显微术（Transmission Electron Microscope，TEM）已被公认为电子显微学的重要补充，因其可避免电子束损伤，并提升弱散射样品的衬度。扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）非常适合低能电子显微学，最高电子能量可达 30 keV，但以往主要用于块体样品的表面形貌成像。通过在 SEM 中加装扫描透射电子显微术（Scanning Transmission Electron Microscope，STEM）探测器，结合近年来分辨率的提升，使得 SEM 在传统由 TEM 研究的电子透明样品结构分析中极具价值。目前，在同一台 SEM 中对同一微区实现SEM、STEM同步成像，从而获得丰富信息。同步图像采集可同时提供样品表面形貌、内部结构（包括晶体缺陷）以及定性材料衬度信息。明场（BF）STEM 成像可实现晶格条纹分辨率。本文以纳米颗粒、块体材料等典型样品类别为例，展示了 SEM 中关联 SEM/STEM成像的优势。

近年来，对电子束敏感材料与软材料分析需求的不断提升，使得低能电子显微术受到越来越多的关注。低入射电子能量可显著降低样品的撞击损伤，并因非弹性与弹性电子散射截面增大，提升低密度 / 低原子序数材料的衬度。目前可通过在扫描电子显微镜（电子束能量最高在30 keV）中加装STEM 探测器，可实现电子透明样品的明场（BF）、环形暗场（ADF）、高角环形暗场（HAADF）-STEM 成像，大幅拓展 SEM 的功能。

SEM 中 STEM 的主要优势在于：SEM 探测器可提供多种成像模式，利用二次电子与背散射电子获得样品的额外信息。尽管材料表征中常先后使用 SEM 与 TEM，但针对电子透明样品同一区域的关联 SEM/STEM 成像研究仍很少。

案例展示

2 keV SE-SEM 图像（图1 a）显示碳纳米管的整体形貌；对图 a框选区域进行放大倍数成像（图1 b），显示碳纳米管的表面形貌与三维排布。利用STEM进行同步成像（图1 c，30 keV BF-STEM 图），图可清晰看到碳管内部结构，可观察到催化颗粒（Ni），这些颗粒在 SEM 中无衬度，说明不在碳管表面。BF-STEM 中可观察到衍射衬度，高分辨 BF-STEM 分辨出0.37 nm的晶格条纹，与 TEM 结果一致。HAADF-STEM 对平均原子序数与局部厚度敏感，催化颗粒呈现高亮度，证实其原子序数远高于碳；碳管堆叠区域也出现局部亮区。SEM/STEM 同步成像可同时获得表面形貌、三维排布、内部结构与成分衬度，单一技术无法实现。

图1 多壁碳纳米管(CNT)样本同一区域进行的SEM/STEM成像：a SE-SEM图；b (a)图中用白色框标出的区域的高倍率 30 keV STEM图；c 30 keV BF-STEM图；d 30keV HAADF-STEM图

ZnO 纳米颗粒用于纳米电子与光电器件研究，然而，长时间电子束照射会产生ZnO颗粒表面损伤。图 展示了ZnO在SEM进行SEM/STEM同步成像的结果，其中，SE-SEM图显示颗粒三维形貌与表面特征，对比 SEM 与 STEM 图像，可发现位于上层颗粒下方的隐藏颗粒。ZnO颗粒内部的圆形特征在 SEM 中无衬度，在 ADF 中亮、HAADF 中暗，属于内部孔洞，衬度反转可由厚度模拟解释：孔洞处厚度降低，ADF 强度升高、HAADF 强度降低。电子衍射花样（图 d）清晰，呈现双束衍射条件，确定 ZnO 为纤锌矿结构，接近 [410] 带轴。ZnO 实验证明：关联成像可直观区分孔洞与表面起伏；电子衍射可实现晶体结构分析。

图2 氧化锌(ZnO)颗粒样品的SEM/STEM成像：a SE-SEM图；b 30 keV的ADF-STEM图；c 30 keV HAADF-STEM图；d 对单个ZnO纳米颗粒的电子衍射图案

含磁性样品在TEM中表征困难，因样品处于物镜磁场中，易导致图像畸变、样品碎裂，且需频繁校正。SEM的无场成像模式可满足磁性材料表征。SE-SEM图（图 a）可获得宏观晶粒尺寸信息，晶界清晰，SEM 视场大，可获得统计性晶粒数据，这是小视场 TEM 无法实现的。高倍 SE-SEM（图 b）与 BF-STEM（图 c）对比显示：BF-STEM 暗区对应样品厚区，亮区对应薄区与弯曲区域。BF-STEM（图 d）可清晰观察大量短位错段。磁性钢实验证明：关联 SEM/STEM 可从 TEM 薄样品获得宏观统计数据；可在无场模式下快速成像，无需频繁校正；缺陷成像效果与高能 TEM 相当。

图3 磁性钢样品的SEM/STEM成像：a SE-SEM图；b 更高倍数下的30 keV的SE-SEM图；c 相同区域的30 keV BF-STEM图；d 框选区域的30 keV的BF-STEM图像（位错成像）

技术优势

· 同步获得表面形貌、三维排布、内部结构信息；

· 可从 TEM 样品获得宏观统计数据（如大晶粒尺寸）；

· 低能电子提升敏感材料衬度，分段探测器凸显成分差异；

· 可对辐射敏感材料获得晶格条纹像；

· SEM 形貌信息辅助 STEM 衬度解释；

· SEM无场成像模式适合磁性材料表征；

参考文献

[1] Cheng Sun. Microscopy and Microanalysis (2018), Page 1 of 8.

来源于中材新材料，作者科普小助手