透射電子顯微鏡圖像的襯度來源于樣品對入射電子束的散射。電子波在穿過樣品時振幅和相位會發生變化，這兩種變化都會引起圖像襯度。因此，在TEM觀察中對振幅襯度和相位襯度進行區分尤為重要。

其中，振幅襯度包括了質-厚襯度和衍射襯度。在TEM、STEM模式和明場（BF）、暗場（DF）像中都能觀察到這兩種襯度。

基礎知識6——透射圖像之振幅襯度

那么，本期我們就來看看STEM模式成像的襯度吧！

一、STEM和TEM像的比較

相關的光學原理可以證明：在理想的光學儀器系統和成像條件下，相同的光學系統中STEM像的分辨率和襯度與CTEM像的相同。即在傳統透射電鏡中得到的質厚襯度、衍射襯度和相位襯度全部可以在STEM像中重現。應用以上三種襯度原理可以在一定條件下說明STEM像的襯度。

但是實際上STEM中的入射束孔徑角2α和探測器接收孔2βs與CTEM成像時的相應角度有明顯差異。在CTEM中通常入射束孔徑角2αc約為5 x10^-1mrad，接收孔徑角2βc為1~10mrad。

這一差別可由下圖1示意說明。可見，TEM和STEM的成像條件不完全相同，二者的像襯度有差別。

圖1 STEM和CTEM照明孔徑角與接收角孔徑的比較

舉個例子吧~

下圖2是純鋁薄試樣的CTEM和STEM明場像，二者都可見到晶界的消光條紋，但CTEM像中出現的彎曲消光輪廓線在STEM像上消失了。

圖2 純鋁薄膜試樣的CTEM和STEM明場像

總的來說，STEM的質厚襯度像對于厚試樣或對電子輻照敏感的試樣最為有用。Z-襯度像（HAADF）可以達到原子分辨率水平。

為此，研究人員往往將STEM和CTEM二者配合應用，比如用CTEM模式獲得好的衍射像和高分辨像；而用STEM觀察試樣中的小粒子以排除衍襯效應的干擾，觀察非晶、復型和生物試樣可使襯度改善，研究不良導體試樣時電荷積累小，溫升較小，進行微區X射線分析和微衍射等。

而ADF像和HAADF像還有特殊應用，例如用大角度散射電子成像可觀察到常規明、暗場像難以顯示的試樣特征。

STEM像的襯度可以通過儀器的信號處理控制，例如探測器的增益（Gain）。黑色電平（Black Level）來調整，還可以用計算機上的亮度/襯度功能調整。

二、STEM的質量質厚襯度像

STEM的質厚襯度像與TEM的像襯度機制相同，都是電子的彈性散射即盧瑟福散射幾率不同而形成。盧瑟福散射截面可以表示為：

可見，對于小角度散射，電子彈性散射截面比例于試樣原子序數的平方，即Z^2。可以證明：強度為I的入射束通過物鏡光闌的直射電子束強度It為：

如果試樣相鄰兩區的密度、厚度和散射截面分別為ρ1、t1、σt2，則二者由于直射電子束強度差別而產生的襯度G為：

在用STEM環形探測器接收小角度（接收角在大約5°以下）散射電子成像時（即ADF像），主要是質厚襯度，并包含一部分衍射電子的貢獻。

而接收角大于5°主要是散射電子，可以忽略不計布拉格衍射電子的貢獻。這是僅有散射電子成像，其強度只和原子序數Z有關，因而稱為原子序數襯度。它包含了試樣中元素的信息，對于非晶材料和生物試樣，這是最重要的成像襯度。

下圖是復相NACTS玻璃(Na、Al、Ti、Si的氧化物玻璃)的STEM像（場發射槍的專用STEM，加速電壓100kv）。

圖3 復相NACTS玻璃的STEM像

玻璃鏡spinodal分解成復相組織，明場像[圖a]中富Ca、Ti相（T相）的散射幾率較大，直射束強度較小而呈現為深色區，而富Si、Al相（S相）平均原子序數較小，散射幾率相對較小，因而直射束強度較大，顯示為較明亮區域；

在環形暗場像（ADF）上則相反（見圖[b]）,散射幾率較大的富Ca、Ti相亮度較大、較明亮，而平均原子序數較小的S相顯示為暗色，T相和S相的明暗和明場像相反。

三、STEM的衍射襯度像

STEM衍襯像明顯不如CTEM像的細節豐富清晰，而且隨著接收孔徑角2βs的增大，STEM衍襯像中的細節損失越多。

STEM暗場像有中心暗場像（CDF）和環形暗場像（ADF）兩種，CDF像僅用選定一支衍射束偏轉到中心探測器成像。而ADF像是由環形探測器接收若干個衍射束成像，這導致衍射襯度減弱。

在復相NACTS玻璃中析出了晶體的試樣STEM像如下圖4所示。

圖4 復相NACTS玻璃結晶的STEM像

在復相玻璃基體上，榍石（CaTiSiO5）晶體從一顆金屬Pd粒子的表面外延生長成“盆景”形狀，圖a與b分別是該“盆景”的STEM明場像和ADF暗場像。這時的ADF像包含了金屬Pd粒子和榍石晶體布拉格角小于探測器接收角的全部衍射束，此外還包含了金屬Pd粒子和榍石晶體布拉格角小于探測器接收角的全部衍射束，此外還包含了非晶玻璃相散射電子的貢獻。因而在ADF像上，Pd粒子、榍石晶體以及富Ca、Ti玻璃相都呈現為明亮的，僅有富Si、Al的S相為暗色的。

四、STEM的Z襯度像

所謂Z襯度像是高分辨的質量厚度成像技術，它代表了由一個原子或一列原子產生的，可探測的散射電子所形成的質厚襯度的限度。采用高角度環形探測器形成的暗場像可以有效地觀察試樣的Z-襯度像，所以它又稱為HAADF像。

常規的暗場探測器ADF總是會接收到布拉格衍射電子，難以形成完全的Z-襯度像。而用HAADF探測器僅僅接收散射角大于50mrad（約3°）的散射電子成像，就可形成Z-襯度像。為了避免衍射束電子進圖HAADF探測器，還應同時調節透鏡減小衍射常數Lλ來達到目的。

HAADF像的襯度直接和試樣中原子的彈性散射截面相關。設試樣基體的散射截面為σA，而其中合金元素或雜質元素的散射截面為σB，則形成的襯度C為：

式中，CB為合金元素的原子濃度；FB為試樣內合金元素取代基體原子的分數。據此估算的強度其絕對精度可優于±20%。在應用電子束尺寸小于0.3nm的場發射電子槍時，Z-襯度像的分辨率有可能接近這個尺度。

審核編輯：劉清