掃描電子顯微鏡已成為表征物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)*的儀器。在掃描電鏡中，電子束與試樣的物質(zhì)發(fā)生相互作用，可產(chǎn)生二次電子、特征X射線、背散射電子等多種的信號，通過采集二次電子、背散射電子得到有關物質(zhì)表面微觀形貌的信息，背散射電子衍射花樣得到晶體結(jié)構(gòu)信息，特征X-射線得到物質(zhì)化學成分的信息，這些得到的都是接近樣品表面的信息。在掃描電鏡上配置透射附件，應用透射模式（Scanning transmission electron microscopy，STEM）可得到物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，使其既有掃描電鏡的功能，又具備透射電鏡的功能，與透射電鏡相比，由于其加速電壓低，所以可顯著減少電子束對樣品的損傷，而且可大大提高圖像的襯度，特別適合于有機高分子、生物等軟材料樣品的透射分析。

    1. 掃描透射像的形成原理

    在掃描電鏡中，電子束與薄樣品相互作用時，會有一部分電子透過樣品，這一部分透射電子也可用來成像，其形成的像就是掃描透射像（STEM像）。如圖1所示，掃描電鏡的STEM圖像跟透射電鏡類似，也分為明場像（bright field，BF）和暗場像（dark field，DF），明場像的探測器安裝在掃描電鏡樣品的正下方，當入射電子束穿過樣品后，散射角度較小的電子經(jīng)過光闌孔選擇后進入明場探測器形成透射明場像，散射角比較大的電子經(jīng)DF-STEM電極板反射，由二次電子探頭接受形成暗場像。由于掃描電鏡中暗場像的信號較弱，在此我們主要討論明場像。

    2. 掃描電鏡中STEM像的特點及應用

    2.1透射像的襯度

透射電子像的形成主要是入射電子束與樣品發(fā)生相互作用，當電子束穿過樣品逸出下表面時，電子束的強度發(fā)生了變化，從而投影到熒光屏上的強度是不均勻的，這種強度不均勻就形成了透射像。通常以襯度（Contrast，C）來描述透射電子所成的像，襯度指樣品電子像上相鄰區(qū)域的電子束強度差，即圖像的對比度，可以下式表示：

    式中，I1為電子像中樣品某區(qū)域的電子束強度，I2為相鄰區(qū)域的電子束強度。通常，人眼不能分辨小于5%的襯度差別，甚至區(qū)分10%的襯度差別也有困難，但是用CCD相機等記錄下數(shù)字化的電子化圖像，再進行處理可增大襯度使人眼能夠分辨。

    電子束被樣品散射后，根據(jù)樣品的性質(zhì)不同，電子束的振幅和相位會發(fā)生相應的改變，形成振幅襯度像和相位襯度像，其中由于樣品的質(zhì)量(原子序數(shù)、密度等)或者厚度的差異造成的透射電子束強度的差異而形成的襯度稱為質(zhì)厚襯度，非晶材料的透射像襯度主要為質(zhì)厚襯度像，如圖2所示，入射電子透過樣品時碰到的原子數(shù)越多即樣品越厚，或者樣品原子核庫侖電場越強即原子序數(shù)或密度越大，被散射的大角度的電子越多，被擋在物鏡光闌之外越多，成像系統(tǒng)接受的電子數(shù)越少，那么襯度高，反之襯度越低。

    通過推導計算可得到質(zhì)厚襯度的公式：

    式中，C為質(zhì)厚襯度，NA為阿伏伽德羅常數(shù)，e為電子電荷，V為透射電鏡的加速電壓，θ為散射角，Z2，Z1分別為產(chǎn)生襯度的樣品兩部分的原子序數(shù)，ρ2，ρ1為兩部分的密度，t2，t1為兩部分的厚度，A2，A1是兩部分的相對原子質(zhì)量。由此可見，質(zhì)厚襯度與加速電壓、散射角、原子序數(shù)、密度和厚度都有關。生物、有機高分子類樣品主要由輕元素組成，原子序數(shù)相差小，對電子的散射幾率小，因此襯度低，通過降低加速電壓的方法可提高襯度。

    2.2掃描電鏡STEM模式的應用

    透射電鏡的加速電壓較高(一般為120-200kV)，對于有機高分子、生物等軟材料樣品的穿透能力強，形成的透射像襯度低，而掃描電鏡的加速電壓較低(一般用10-30kV)，因此應用其STEM模式成透射像，可大大提高像的襯度。圖3所示為有機太陽能電池用的高分子/富勒烯薄膜（有機固體實驗室樣品）的透射電子像，在用透射電鏡觀察其分相結(jié)構(gòu)時，由于兩部分襯度都低，因此幾乎無法區(qū)分，而應用掃描電鏡的STEM模式觀察時，可清楚地觀察到兩相的結(jié)構(gòu)。

    應用透射電鏡觀察生物樣品時，由于樣品的襯度很低，須經(jīng)過鈾、鉛等重金 屬染色才能獲得其結(jié)構(gòu)信息，然而染色不僅麻煩而且可能會改變樣品的結(jié)構(gòu)。在 應用掃描電鏡的STEM模式觀察生物樣品時，樣品無需染色直接觀察即可獲得較 高襯度的圖像，圖4為應用STEM模式觀察得到的未染色的生物品的電鏡圖，可以看到其納米尺度的片層結(jié)構(gòu)。

    除了可顯著提高透射像的襯度外，應用掃描電鏡STEM成像還有一個優(yōu)勢是可對樣品同時成掃描二次電子像和透射像，既可以得到同一位置的表面形貌信息又可以得到內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，避免了在掃描電鏡和透射電鏡之間轉(zhuǎn)換樣品、定位樣品的麻煩。圖5所示為應用掃描電鏡觀察有機螺旋納米線(光化學實驗室樣品)得到的二次電子像和透射像(STEM明場像和暗場像)，從二次電子像可以清楚地觀察到納米線的螺旋結(jié)構(gòu)，從透射像可以看出納米線是實心結(jié)構(gòu)非空心管結(jié)構(gòu)。

    總之，隨著科學研究的深入對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的要求越來越高，掃描電鏡STEM透射模式由于其襯度高、損傷小等特點，非常適合于有機高分子、生物等軟材料的結(jié)構(gòu)分析，將在此類材料的分析表征中發(fā)揮不可替代的作用。