幾何任何與材料相關(guān)的領(lǐng)域都要用到透射電鏡，而最常用的三大透射電鏡是：普通透射電子顯微鏡（TEM）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）。本期內(nèi)容介紹三者的殊與同。重點(diǎn)解析在科研中如何適時的運(yùn)用這三者？

    TEM：這里的TEM專指普通分辨率TEM。其主要用來觀察材料的微觀形貌和結(jié)構(gòu)，比如催化劑粉末的輪廓外形，納米粒子的尺寸和形貌。一般普通TEM的分辨率在幾個納米數(shù)量級。下圖1（多相粉末催化劑）、圖2（納米晶）為典型普通TEM圖形。

    圖1

    圖2

    電子與樣品相互作用后，透射電子主要分為三大類：透射電子，彈性散射電子和非彈性散射電子。這三類電子各司其職，其中透射電子和彈性散射電子均可用于成像。通過調(diào)節(jié)電鏡參數(shù)可以選擇性收集成像電子，如圖3所示。

    圖3

    如果只選擇透射電子成像，那么可想而知，沒有樣品的地方，電子透過的最多，所以觀察屏上最亮，樣品越重越厚的地方、電子難以透過就越暗。這就是所謂的“明場像”，光路圖如圖3a所示。這種由于樣品厚薄不均，質(zhì)量不同而導(dǎo)致的明暗差異被稱為“質(zhì)厚襯度”，原理于圖4所示。在明場模式下，整個視野內(nèi)比較明亮，比較利于觀察樣品的大小、尺寸、形貌等信息，圖1，2都為明場像。

    圖4

    既然有“明場像”，必然就有“暗場像”。所謂“暗場像”是指“收集”散射（衍射）電子成像。因?yàn)橘|(zhì)量越大、越厚，其散射越強(qiáng)，所以在暗場下其越亮。在沒有樣品處，因?yàn)殡娮由⑸浜苌偎栽桨担饴穲D見如圖3b。雖然暗場模式下整個大視野范圍內(nèi)比較暗，但是樣品處較亮。特別是滿足布拉格衍射的區(qū)域會特別亮。這種因?yàn)檠苌鋸?qiáng)度不同，而導(dǎo)致的明暗不同稱為“衍射襯度”。這一暗場下的衍射襯度可以用來分辨樣品中不同區(qū)域的晶粒。例如：厚薄均勻的樣品，在明場像中A、B區(qū)域沒什么差別。但是在暗場像中A區(qū)域滿足布拉格方程，那么A區(qū)域明亮可見；而B區(qū)域不滿足布拉格方程就暗，從而予以鑒別，如圖5所示。PS:明場、暗場并非普通電鏡的專利、STEM中也有明暗場之分。

    圖5

    HRTEM：從字面意義上很好理解，高分辨電子顯微鏡，顧名思義就是比普通電鏡的分辨率更高一些。確實(shí)，普通的TEM只能用來看看外觀，很難看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如：晶面間距、原子排布等信息。近年來HRTEM發(fā)展迅猛，分別率已經(jīng)達(dá)到原子級別（幾埃，甚至零點(diǎn)幾埃）。理論上能夠看清一個一個的原子。所以HRTEM用來觀測晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、原子排布以及很多精細(xì)結(jié)構(gòu)（比如位錯、孿晶等）。但理論與實(shí)際總是有差距。想要從HRTEM中得到準(zhǔn)確的材料結(jié)構(gòu)信息并非易事。首先必須保證樣品足夠薄（弱相位近似）和Scheerzer欠焦條件下拍攝的HRTEM像才能正確反應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)，如圖6。很多時候還需要利用軟件模擬構(gòu)型，然后再與實(shí)際照片比對。

    圖6

    至于為什么？需要從原理開始分析。高分辨像是相位襯度像，是所有參加成像的衍射束與透射束之間因相位差而形成的干涉圖像。普通TEM要么采用透射電子，要么采用散射電子。高分辨是兩者都用。用的電子類別多，對樣品的要求就高。那么問題來了：在高分辨像下，原子是暗的還是亮的呢？研究表明，當(dāng)TEM的欠焦量最優(yōu)時，HRTEM分辨率達(dá)到最高。這時，對于薄晶體，原子一般呈現(xiàn)暗襯度，即原子是暗的。但實(shí)際使用時，有的時候也可以是亮的（請高手指教）。

    STEM（HAADF - STEM）：從成像角度來分析，其與前面兩者最大的區(qū)別是：TEM和HRTEM的光照射范圍是面，而STEM是一點(diǎn)一點(diǎn)的掃射，然后再收集。一個不恰當(dāng)?shù)谋扔魇牵阂粋€是手電筒光源，一個是激光器光源。顯然激光器對結(jié)構(gòu)的表征更加細(xì)致。前面已經(jīng)提及STEM也有明場和暗場之分。STEM常常和HAADF連用。HAADF是一種高角環(huán)狀暗場探測器。示意圖如圖7所示。

    圖7

    HAADF的作用是收集高角盧瑟福散射電子。為什么要收集高角散射電子？因?yàn)槠洚a(chǎn)生的是非相關(guān)高分辨像，可避免TEM和HRTEM中復(fù)雜的衍射襯度和相干成像，從而能夠直接反應(yīng)原子的信息。什么時候用HAADF-STEM？最簡單的回答是：當(dāng)你發(fā)現(xiàn)TEM，HRTEM還是沒法滿足你的欲望的時候；當(dāng)你需要看更精細(xì)的結(jié)構(gòu)和更低濃度成分的時候；當(dāng)你需要線掃描的時候，HAADF-STEM也是首選。例如，近年來很火的單原子催化，利用球差STEM才能夠很好的表征，發(fā)現(xiàn)這些單原子，如圖8。

    圖8