总结：本文介绍了透射电子显微镜（TEM）及扫描透射电子显微镜（STEM）的技术发展历程（从发明初期到球差校正、原位/环境TEM、冷冻电镜等技术突破）、传统STEM成像模式（BF、ABF、ADF、HAADF等）的原理与特点，还详细阐述了差分相位衬度（DPC）、电子衍射叠层成像、电子断层扫描等进阶成像技术的优势与局限，重点解析了4D-STEM技术的原理（阵列化探测器记录扫描点衍射斑形成四维数据集）、技术突破（探测器与计算机技术推动）及应用场景（多模式成像、叠层成像重构、电场分析等）。
读者可系统学习到TEM（STEM）成像技术的演进逻辑与各类模式的实操要点，了解4D-STEM如何突破传统技术局限，为开展材料科学、生命科学领域的微观结构（从原子级到三维结构）分析提供全面的技术参考与创新思路。
1.TEM技术发展
透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）是现代材料科学、生命科学领域中广泛应用的一种仪器，在微观样品形貌、晶体结构、化学成分分析等领域占有重要的地位。
自1932年，Ernst Ruska和Max Knoll成功发明透射电子显微镜以来，在将近一个世纪的时间中，其制样技术、分辨率、成像方式等要素已经有了巨大的发展。
在样品制备方面，由最初的复型(Replica)方法，发展到目前多种多样的样品制备手段。目前，对于块体样品，除了传统的超薄切片以及磨制减薄的方法外，另一种常见的制样方式是使用聚焦离子束（Focused Ion Beam FIB）技术进行样品制备。超薄碳膜载网等高质量的载网让获得高质量的样品更加容易。同时，树脂包埋技术及冷冻电镜(Cryogenic-Transmission-Electron-Microscope, Cryo-EM)的发展让生物样品的三维结构能够在样品中保留下来。制样技术对于透射电镜成像具有关键的影响，由于电子束即使在经过几百千伏的加速之后，在固体中的穿透能力在宏观上仍然很弱，对于较厚的样品，成像质量会受到明显的制约。因此，如何获得高质量的透射电镜样品仍然是实验中重要的一环。
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进入21世纪后，在计算机科学的推动下，冷冻电镜技术迅速发展。在对生物样品的研究中，尤其是解析生物大分子的三维结构、细胞生物学、结构生物学方面，体现出了独特的优势。进一步的，冷冻电镜的应用范围也快速的扩大，被应用与材料学研究中。
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2.TEM的传统STEM成像模式
在STEM模式下，电子枪发射的电子束，经过加速系统和会聚镜系统后，以会聚束的形式照射样品，并由偏转线圈控制电子束在样品上进行扫描。在扫描的同时，会聚电子束和样品进行相互作用，样品会对电子束产生散射。其探测器布置在样品的衍射平面上。现有的仪器上通常配置有一个或多个环形探测器，用于收集不同散射角上的电子束强度信号。对于每个扫描点，将探测器收集到的电子强度信号使用像素阵列的方式排列，即获得在当前扫描区域的STEM图像。
STEM模式下的样品衬度和探测器收集的角度有关。根据收集角度的关系，STEM 模式的成像可分为：明场像(Bright Field, BF)、环形明场像(Annular Bright Field, ABF)、环形暗场像(Annular Dark Field, ADF)、环形高角暗场像(High Angle Annular Dark Field, HAADF)等。其中，HAADF是较常用的成像模式，主要其收集60到70 mrad 以上的散射，来源大多是非相干散射，体现样品的Z衬度，其信号强度和原子的核电荷数有关。其成像的分辨率更高，对于重元素的衬度也较好。但对轻元素的电子的散射能力弱，成像衬度较差。
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3.成像技术的进展
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3.1差分相位衬度
差分相位衬度能够体现样品的相位衬度，对于轻元素会比STEM-HAADF更加敏感，在对于轻元素结构的成像衬度会更加明显，相关的技术已经被用于进行石墨烯和二硫化钼的成像。
4由于其成像依赖与会聚到一点的电子束和样品电场的相互作用，它对于仪器和探测器的要求都很高。
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3.2电子衍射叠层成像
叠层成像技术是建立在相干衍射成像基础上的一种相位恢复方法。通过衍射图案来获得样品的相位信息，重构相位衬度的样品图像，分辨率可以尽可能贴近 λ/2 的衍射极限。
相干衍射成像的概念在上世纪70年代被提出，原理是通过记录探测器上的光强（Intensity）信息，通过解析计算，或者迭代计算的手段，获得样品(Object)和探针(Probe)的信息，从而对样品进行成像的技术。由于在相干衍射成像中，为了满足频域的采样条件，样品的尺寸不能大于探针尺寸（光束照射的范围）的一半。这个条件使相干衍射成像能够使用的样品范围受到了限制。
叠层成像这一概念最初在1970年代被W. Hoppe 提出。经过多年的发展，目前已经出现了多种重构算法。其中，主要有用于叠层成像的迭代引擎算法，魏格纳分布解卷积算法，以及差值图(Different Map)算法等。在可见光领域，J. M. Rodenburg使用迭代的叠层成像算法，使用光学显微镜给出了样品的振幅和相位恢复图像。在X 射线成像领域，叠层成像技术已经被应用在大量的样品上。
近年来，在TEM领域，叠层成像的应用前景越来越受到研究人员的关注。相比传统的透射电镜技术，叠层成像技术拥有以下的优势：
1.Chen Z, Jiang Y, Shao Y T, et al. Electron ptychography achieves atomic-resolution limits set by lattice vibrations[J]. Science, 2021, 372(6544): 826-831.
3.3电子断层扫描技术
同时，通过结合EELS和EDS，能够对样品三维结构中的元素分布进行重构。另外，对于材料科学、化学催化等领域，通过电子断层扫描技术，研究人员能够提取出颗粒、晶粒等的三维结构信息，这些信息对与材料合成和性质分析具有重要意义。
在生物学领域，随着冷冻电镜技术的发展，对生物样品的冷冻制样技术的成熟，也促进了冷冻电镜环境中的断层扫描技术的发展。冷冻电镜中的冰可以作为柔性的生物样品的支撑，保护样品的三维结构在透射电镜制样的过程中不被破坏。在细胞生物学领域，透射电镜的倾转三维重构已经成为常见的表征手段之一。同时，在对生物大分子经过分离与提纯的前提下，能够达到亚纳米级别的分辨率。
但是，电子断层扫描技术也有其缺陷:
1通常电镜中的倾转角度不能达到正负90度[1]，导致接近平行光轴方向的信息不能完全的重构出来，这种信息的缺少被称缺失锥(MissingWedge);
2 通过断层扫描技术重构的样品三维结构的质量，依赖与其倾转数据集中各个投影图像的质量，如果现有的二维成像技术无法获得高质量的二维投影像，那也无法使用断层扫描技术获得高质量的三维重构;
1 Midgley P A, Dunin-Borkowski R E. Electron Tomography and Holography in Materials Science[J]. Nature Materials, 2009, 8(4): 271–280.
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3.4 4D-STEM 成像
常规STEM成像与4D-STEM成像对比
图片来源https://analyticalscience.wiley.com/do/10.1002/was.00010003
以往，制约4D-STEM技术发展的主要是探测器的采集速度，以及计算机系统的数据传输、存储效率。近年来，由于电子探测器技术的发展，新一代电子探测器大大提高了获取数据的速度，降低了探测器记录过程中的噪声。诸如pnCCD、直接电子探测器（DDD）等新的电子探测器的商业化使高速的衍射采集成为可能。并且，在电子计算机技术快速发展的大背景下，传输带宽和数据存储效率大幅上升，这些因素的发展共同推动了4D-STEM 技术的应用。
4D-STEM技术所采集的数据，即衍射图案和对应的扫描坐标，可以支持多种处理方式，能够同时获得不同成像方式的图像。例如，对于一定散射角范围的信号进行积分，则可以获得 STEM模式的 BF、ABF、ADF、HAADF 等的图像，取决于积分的角度区域。
4D-STEM采集的数据也可以作为电子叠层成像的输入数据，进行叠层成像算法的重构。或者可以通过分区域积分信号的方式，模拟分区探测器，获得差分相位衬度信号，也可以对数据集进行会聚电子束衍射分析，包括位置平均会聚电子束衍射PACBED等。
1.Ryll H, Simson M, Hartmann R, et al. A PnCCD-Based, Fast Direct Single Electron Imaging Camera for TEM and STEM[J]. Journal of Instrumentation, 2016, 11(4).
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本文源自微信公众号：老千和他的朋友们
原文标题：《TEM（STEM）成像技术演变与4D-STEM》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/hm7ApsD1wDqIYtYctNYlbQ
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