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透射電子顯微鏡的工作原理和結構

生活經驗透射

【透射電子顯微鏡的工作原理和結構】3.1 STEM的工作原理
STEM的工作原理如圖2所示[2] 。場發射電子槍激發的電子束經過復雜的聚光系統后被匯聚成為原子尺度的電子束斑，作為高度聚焦的電子探針，在掃描線圈的控制下對樣品進行逐點光柵掃描 。


透射電子顯微鏡的工作原理和結構

文章插圖


電子束斑與樣品作用的同時，樣品下方具有一定孔徑的環形探測器同步接收散射電子，由入射電子穿透樣品激發出來的電子信號依據散射角度進行收集、信號轉換與成像 。在這一過程中，施行逐點掃描，逐點成像，在連續掃描過樣品的一個區域后即可得到最終的掃描透射結果 。
在STEM的工作過程中，施行逐點掃描，逐點成像的模式，在樣品上掃描的每一點與所產生的像點一一對應 。TEM采集透射電子平行電子束進行一次成像，而STEM則是利用會聚電子束在樣品上進行逐點掃描成像的 。前者好似在“拍照片”，而后者則是細致的“作畫”過程 。除了通過環形探測器接受的散射信號成像 ， 結合后置的電子損失譜儀及X射線能譜探測器 ， STEM還可以獲取電子能量損失譜(EELS)與微區元素分析(EDS)結果 ， 獲得樣品的化學組成與電子結構信息 。
3.2 STEM的儀器結構
掃描透射電子顯微鏡兼具掃描成像與透射分析的特點，其儀器結構可看作掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡的綜合 。它與透射電子顯微鏡的主要差別在于添加了掃描附件，與掃描電子顯微鏡的不同在于電子信號探測器安置在樣品下方 。
如圖2所示，STEM系統主要由以下幾部分組成：電子槍，電子光學系統 ， 樣品室，環形探測器與成像設備等 。
（1）電子槍：提供具有一定能量、束流、速度和角度的電子束 。STEM測試技術對電子源質量要求較高，因此通常采用能夠發射具有更高速度和能量的場發射電子槍 。
（2）電子光學系統：位于電子槍下方，由一系列的電磁透鏡組成，能夠將電子槍發射出來的電子束會聚成足夠原子尺度的光束斑 。
（3）樣品室：內置樣品臺，用于載放樣品，對樣品臺進行移動可進行觀察視野的選擇 。
（4）環形探測器與成像設備：樣品室下方的環形探測器具有一定的內徑，能夠捕捉廣泛散射角度的散射電子，成像設備負責對收集到的電子進行信號解析與成像 。
（5）真空系統：由多級真空泵聯合組成，高質量的真空環境對電子顯微鏡至關重要，這是為了避免高能電子束與氣體分子碰撞引起的像差增加與樣品污染 。