掃描電子顯微鏡已成為表征物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)不可或缺的儀器。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(guān)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(xué)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(yīng)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。
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(dāng)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(jìn)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。
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(dāng)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(jìn)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(yīng)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(dǎo)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(guān)。
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。
