STEM簡介

掃描透射電子顯微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope，簡稱STEM），是在TEM成像技術上發展起來的一種電子顯微成像技術，得益于球差矯正技術以及EDX、EELS等電子能譜儀的發展，其具有亞埃級高空間分辨率、化學成分敏感性以及直接原子成像等優勢。目前STEM成像及分析技術被廣泛應用于納米尺度材料的表征和分析，可同時得到材料的高分辨像、元素成分以及電子結構等信息。

STEM成像原理

常規的TEM成像是基于平行電子束顯微成像模式，是一次曝光成像，而STEM成像是基于會聚電子束顯微成像模式，是在樣品上掃描獲得。

其基本的物理過程可以描述如下：首先來自場發射電子槍的相干電子束先后經過聚光鏡、物鏡后會聚成納米尺度的電子探針，然后再通過偏轉線圈控制電子探針的運動，在樣品表面進行逐點格柵化掃描，電子與樣品相互作用發生散射，形成不同散射立體角的電子，這些攜帶樣品不同信息的電子被樣品下方不同角度的環形探測器檢測到，最終在計算機屏幕上形成可見的STEM像，樣品上的一個物點對應于屏幕上的一個像點，這樣掃描電子束就可以將感興趣區域的樣品信息采集并輸入計算機進行分析。

一般，一臺現代商用分析型TEM設備配有多款STEM探頭，可以同時形成明場（BF）像、環形明場（ABF）像、環形暗場（ADF）像、高角度環形暗場（HAADF）像，可同時收集樣品的形貌、衍襯以及成分等信息。下圖示意了不同STEM探頭相對于樣品的分布位置，注意不同廠商之間會有差異。

圖1：測器示意圖

STEM圖像襯度來源

BF像：散射角在~10 mrad以內的電子主要由透射電子和小角度的散射電子構成，其形成的BF像襯度接近于TEM像，能反應樣品的形貌信息，散射角度越小其襯度越接近于TEM質厚襯度；

ABF像：通過樣品下方的環形探測器收集低角散射電子進行成像，因此對輕元素更敏感，像襯度約與原子序數的Z1/3成正比，特別適合輕元素原子成像；

ADF像：散射角在~10-50 mrad范圍內的電子主要由滿足布拉格散射的電子束構成，攜帶樣品的衍襯信息，常用于觀察缺陷，比如位錯、晶界等；

HAADF原子像：散射角在~50 mrad范圍外的電子主要由非相干散射電子構成，因此所成的像是非相干像，是原子柱的投影勢，HAADF像襯度約與原子序數Z的1.7方成正比，即越重的元素在HAADF像中的襯度越亮，反之亦然。相比于TEM晶格像中肉眼所見的“亮點”僅反應周期性變化，而HAADF像中的亮點反應的是原子的實際占位。

圖2：Si典型TEM晶格像（左）和HAADF原子像（右）

STEM應用

STEM-EDX技術：常規的SEM-EDX技術主要針對塊狀樣品進行成分分析，但由于“梨形區”的存在，EDS空間分辨率遠比SEM的分辨率低，往往無法勝任納米結構的成分分析。而TEM-EDX技術克服了SEM-EDX技術的空間分辨率問題，可對樣品內部結構進行成分分析，但是受限于TEM模式的靜態平行束照明缺點，其結果只能定性反映樣品某個區域的平均成分信息，并且無法獲得樣品的線掃與面掃結果。STEM-EDX技術可以對樣品的微區進行成分分析，克服了SEM-EDX技術的空間分辨率差和TEM-EDX技術僅支持局域內的平均成分分析的不足，是現代分析型TEM最基本且最重要的半定量微區分析方法，特別適合納米尺度的點、線和面分析；

STEM-EELS技術：電子與樣品的相互作用除了產生彈性散射電子之外，還會發生非彈性散射，損失掉部分能量，通過收集這部分電子并按損失的能量進行統計計數分析，便得到電子能量損失譜。由于直接分析的是電子的損失能量，所以EELS對輕元素較敏感，且定量效果優于EDX，另外EELS能量分辨率（~1eV）優于EDX能量分辨率（~130 eV），除了對樣品的元素成分、電子結構和化學價態進行分析之外，還可以選擇不同能量段進行成像，形成零損失峰成像、等離子損失峰成像以及高能損失峰成像等豐富的成像技術，獲得樣品的不同結構信息。

STEM-NBD技術：傳統的選區衍射技術（SAED）是在TEM模式下進行的，是晶體結構分析的有力手段，受限于選區光闌孔徑的大小，往往無法勝任小于200 nm以下微區的晶體結構表征。而STEM-NBD技術的發展則克服了這一困難。NBD采用準平行束斑，束斑尺寸僅約幾納米，可以對納米級結構進行表征，借助STEM技術的掃描功能，常用于感興趣區材料的晶體結構和應力分布等表征，比如，NBD常用于表征28nm制程晶體管channel區的應力分布。

審核編輯：劉清