扫描透射电子显微镜STEM的工作原理与结构

3.1 STEM的工作原理

STEM的工作原理如图2所示[2]。场发射电子枪激发的电子束经过复杂的聚光系统后被汇聚成为原子尺度的电子束斑，作为高度聚焦的电子探针，在扫描线圈的控制下对样品进行逐点光栅扫描。

电子束斑与样品作用的同时，样品下方具有一定孔径的环形探测器同步接收散射电子，由入射电子穿透样品激发出来的电子信号依据散射角度进行收集、信号转换与成像。在这一过程中，施行逐点扫描，逐点成像，在连续扫描过样品的一个区域后即可得到最终的扫描透射结果。

在STEM的工作过程中，施行逐点扫描，逐点成像的模式，在样品上扫描的每一点与所产生的像点一一对应。TEM采集透射电子平行电子束进行一次成像，而STEM则是利用会聚电子束在样品上进行逐点扫描成像的。前者好似在“拍照片”，而后者则是细致的“作画”过程。除了通过环形探测器接受的散射信号成像，结合后置的电子损失谱仪及X射线能谱探测器，STEM还可以获取电子能量损失谱(EELS)与微区元素分析(EDS)结果，获得样品的化学组成与电子结构信息。

3.2 STEM的仪器结构

扫描透射电子显微镜兼具扫描成像与透射分析的特点，其仪器结构可看作扫描电子显微镜与透射电子显微镜的综合。它与透射电子显微镜的主要差别在于添加了扫描附件，与扫描电子显微镜的不同在于电子信号探测器安置在样品下方。

如图2所示，STEM系统主要由以下几部分组成：电子枪，电子光学系统，样品室，环形探测器与成像设备等。

（1）电子枪：提供具有一定能量、束流、速度和角度的电子束。STEM测试技术对电子源质量要求较高，因此通常采用能够发射具有更高速度和能量的场发射电子枪。

（2）电子光学系统：位于电子枪下方，由一系列的电磁透镜组成，能够将电子枪发射出来的电子束会聚成足够原子尺度的光束斑。

（3）样品室：内置样品台，用于载放样品，对样品台进行移动可进行观察视野的选择。

（4）环形探测器与成像设备：样品室下方的环形探测器具有一定的内径，能够捕捉广泛散射角度的散射电子，成像设备负责对收集到的电子进行信号解析与成像。

（5）真空系统：由多级真空泵联合组成，高质量的真空环境对电子显微镜至关重要，这是为了避免高能电子束与气体分子碰撞引起的像差增加与样品污染。