扫描透射电镜(STEM)的特点:
(1)STEM技术要求较高,要非常高的真空度,并且电子学系统比TEM和SEM都要复杂。
(2)加速电压低,可显著减少电子束对样品的损伤,而且可大大提高图像的衬度,特别适合于有机高分子、生物等软材料样品的透射分析。
(3)可以观察较厚的试样和低衬度的试样。
(4)扫描透射模式时物镜的强激励,可以实现微区衍射。
(5)应用扫描电镜的STEM模式观察生物样品时,样品无需染色直接观察即可获得较 高衬度的图像。
扫描透射像的形成原理:
在扫描电镜中,电子束与薄样品相互作用时,会有一部分电子透过样品,这一部分透射电子也可用来成像,其形成的像就是扫描透射像(STEM像)。如下图所示,扫描电镜的STEM图像跟透射电镜类似,也分为明场像(bright field,BF)和暗场像(dark field,DF),明场像的探测器安装在扫描电镜样品的正下方,当入射电子束穿过样品后,散射角度较小的电子经过光阑孔选择后进入明场探测器形成透射明场像,散射角比较大的电子经DF-STEM电极板反射,由二次电子探头接受形成暗场像。
明场像与暗场像都有什么区别呢一个是透射束成像,一个是衍射束成像
透射电镜图像分为试样的显微像和衍射花样,这两种像分别为不同电子成像,前者是透射电子成像,后者为散射电子成像。
透射电镜中,不仅可以选择特定的像区进行电子衍射(选区电子衍射),还可以选择成像电子束。(选择衍射成像)
明场像(BF):选用直射电子形成的像(透射束),像清晰。
暗场像(DF):选用散射电子形成的像(衍射束),像有畸变、分辨率低。
成像电子的选择是通过在物镜的背焦面上插入物镜光阑来实现的。
中心暗场像(CDF):入射电子束对试样倾斜照明,得到的暗场像。像不畸变、分辨率高。
暗场成像条件下,成像电子束偏离透射电镜的光轴,造成较大的像差,成像质量差,为获得高质量暗场像,采取中心暗场成像。即入射电子束反向倾斜一个相应的散射角度,使散射电子沿光轴传播。
所谓明场,暗场成像只是对低倍观察时说的。
一般来说,观察形貌我们都比较喜欢用明场像,因为成像衬度好(尤其是加了合适的光阑),形变小。其主要表现为厚度衬度,对厚度敏感。
而观察缺陷如位错,孪晶的时候喜欢用暗场像,因为暗场像是来自于选定的某个衍射束,对应于晶体特定的晶面。在缺陷地方,电子衍射的方向和完整的地方不一样,从而使得缺陷地方能够在暗场像上清楚的显示出来。而明场像因为是多个衍射束的成像,对缺陷不敏感,虽然有时候也能反应出缺陷,但是及其模糊。其主要表现为衍射衬度。也就是对衍射面敏感。
比如说一个孪晶材料,对于明场,孪晶界面很淡,但是选择合适的衍射点做暗场像可以很清楚的看见孪晶界面。而且选择其中一个晶体特有的衍射点,做暗场可以发现只有这一个晶体出现在图像上,而另外一个晶体看不见。
对于暗场一个重要的用途是观察层错,比如说立方晶系里面的111方向的层错用明场像无法看出来。因为有缺陷和无缺陷的地方厚度一样。但是暗场像在特定的方向观察时,可以观察到三角形或者蝴蝶状甚至金字塔装的衬度明暗条纹。这个时候用到的一个TEM技术叫做双束。
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