臺式場(chǎng)發(fā)射掃描-透射（SEM—STEM）電子顯微鏡應用案例分享

在材料研發(fā)的過(guò)程中，檢測材料的形貌細節和品質(zhì)，需要各個(gè)方位地了解樣品。掃描電鏡是科學(xué)研究過(guò)程中強有力的表征工具，高分辨成像可以揭示材料細節?，F在一些比較好的掃描電鏡可以提供一種先進(jìn)的成像技術(shù)--透射模式（Scanning transmission eletron microscopy，STEM），這種成像模式可以呈現出與 SEM 圖像不同的信息。

STEM 模式和 SEM 成像效果有什么不同？

以導電納米復合材料的研究為例，不同制備方法得到的碳納米管的厚度和長(cháng)度有所不同。對碳納米管進(jìn)行準確的表征非常重要（包括長(cháng)寬比），因為這些參數直接影響了復合材料的機械性能和導電性能。

但是在實(shí)際的表征過(guò)程中，通常很容易忽略一些細節。以下是碳納米管的二次電子模式（SED）和掃描透射模式（STEM）下的成像效果。

碳納米管的 SED 圖（上）和 STEM 圖（下）

在掃描電鏡的 SED 圖中可以直觀(guān)顯示碳納米管的粗細，以及碳納米管之間的交織狀態(tài)。但是在 STEM 圖中，可以看到隱藏在 3D 結構中的小顆粒，這些顆粒在 SEM 圖中是無(wú)法看到的。

STEM 模式有哪些成像模式？

STEM 成像包括明場(chǎng)像（bright field，簡(jiǎn)稱(chēng) BF），暗場(chǎng)像（dark field，簡(jiǎn)稱(chēng) DF）以及高角度環(huán)形暗場(chǎng)像（high-angle annular dark field，簡(jiǎn)稱(chēng) HAADF）。

明場(chǎng)（BF）、暗場(chǎng)（DF）和高角度環(huán)形暗場(chǎng)（HAADF）成像示意圖和成像對比圖

BF 像

主要是樣品正下方同軸的探測器接收透射電子和部分散射電子。影響明場(chǎng)像襯度（Contrast）的主要因素是樣品的厚度和成分。樣品越厚，原子序數（Z）越大，穿透樣品的電子越少，圖像就越暗，因此 BF 像對輕元素（Z 較?。┍容^敏感。

DF 像

主要是樣品下方非同軸位置的探測器接收散射電子信號。

HAADF 像

主要是接收高角度的非相干散射電子信號。原子序數（Z）越大，散射角也越大，原子核對入射電子的散射作用越強，圖像上更亮。因此又被稱(chēng)為 Z 襯度像。

應用案例

三種成像模式各有特點(diǎn)，具有不同的成像優(yōu)勢，可以根據樣品情況搭配使用，成像結果進(jìn)行互相驗證。

案例一：煙草花葉病毒

煙草花葉病毒的BSE 像、BF 像、 DF 像和 HAADF 像

對比掃描電鏡的背散射電子圖像（BSE），桿狀的煙草花葉病毒在 BF 模式下更加直觀(guān)。BF 模式更適合觀(guān)察輕元素（Z 較?。?，輕元素散射作用較弱，因此在 HAADF 模式下較難清晰觀(guān)測細節。

而桿狀煙草花葉病毒周?chē)^厚的脂質(zhì)球，電子較難穿透，BF 像上相對較暗。在 DF 模式下，密度較大的脂質(zhì)球表現出較強的衍射，因此在 DF 像上相對較亮。

案例二：多壁碳納米管及其催化劑

多壁碳納米管的 BF 像和 HAADF 像，放大倍數：20,000X

根據成像特點(diǎn)，圖 A 的 BF 像，紅色標記部位可能是原子序數（Z）更大的催化劑的位置（并不絕對）。但是在圖 B 的 HAADF 像上，紅色標記位置，并未顯示為明顯的“亮點(diǎn)"，而黃色標記部位才是真正的催化劑存在的位置?？梢钥闯?HAADF 成像在類(lèi)似案例中可以體現出高 Z 襯度關(guān)聯(lián)性的成像優(yōu)勢。

案例三：被腎小囊包裹的正常腎小球

小鼠腎標本樣品（腎小球和臨近的腎血管）的 STEM 圖。紅色箭頭處可以看到含有紅細胞的腎小球毛細血管，毛細血管被腎小球基底膜和足細胞的足突包圍。

上圖為被腎小囊（Bowman's capsule）包裹的正常腎小球的超微結構。 STEM 圖顯示了正常腎小球毛細血管袢和腎小球系膜，與 TEM 下的微觀(guān)圖像類(lèi)似（Moss and Shore，2002）。STEM 圖中的紅色箭頭處清晰顯示了腎小球基底膜、系膜基質(zhì)、系膜胞質(zhì)、足細胞足突的細節以及與基底膜毗鄰的裂孔結構。STEM 圖像顯示了高分辨的超微結構，圖像襯度明顯，可以快速捕捉到極小的細胞變化，并快速分析感興趣部位的微觀(guān)結構。

案例四：正常的小鼠胰腺腺泡細胞

正常的小鼠胰腺腺泡細胞結構 STEM 圖。圖中顯示了酶原顆粒（Z）、液泡、線(xiàn)粒體（M）、腺泡腔（L）和粗面內質(zhì)網(wǎng)（R）。上圖為胰腺星形細胞，下圖為內質(zhì)網(wǎng)的精細結構。

案例五：人類(lèi)腦腫瘤組織

人類(lèi)腦腫瘤組織 STEM 圖。

圖中清晰顯示了細胞的超微結構特征，髓鞘軸突、線(xiàn)粒體和嵴結構（M）、包含細胞間質(zhì)纖維和囊泡的星形細胞結構（紅色箭頭處）。圖中可以清晰觀(guān)測到細胞結構和細胞器之間的關(guān)系。

培養的全能干細胞的 STEM 圖

晶狀體上皮細胞內有大量的細胞質(zhì)器，如線(xiàn)粒體和卵圓形細胞核。均質(zhì)的細胞外觀(guān)與早期細胞分化階段的細胞相似（數據來(lái)自 ROR1e LECs）。圖中可以清晰看到晶狀體的微結構，包括靠近組織周?chē)木铙w上皮細胞，以及與之相鄰的具有桿狀細胞核的未成熟的晶狀體纖維細胞，具有圓形細胞核的細胞和晶狀體纖維細胞類(lèi)似。

以上案例均使用飛納電鏡最新發(fā)布的產(chǎn)品--  Phenom Pharos STEM 臺式場(chǎng)發(fā)射 SEM-STEM 電子顯微鏡拍攝。