扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscopy，STEM）模式是透射电镜（TEM）中的重要工作模式，核心是通过聚焦高能电子束扫描样品，探测信号进行成像，兼具高分辨形貌观察与元素分析能力。本文将介绍STEM的核心工作原理及其相应的各种成像模式。
STEM的核心工作原理
STEM的成像过程可拆解为3个关键步骤，形成 “聚焦-扫描-探测” 的完整链路：
◆电子束聚焦：电子枪发生的电子束经过聚光镜聚焦，形成直径小于1nm的极细电子束流。
◆样品扫描：聚焦后的电子束在样品表面进行扫描（类似扫描电子显微镜），每移动一个像素点，电子就与该位置的样品发生散射、透射等相互作用。
◆信号探测与成像：样品下方的探测器收集每个扫描点产生的信号，与扫描像素点对应，最后拼接成二维图像。
图1 STEM成像示意图
STEM的主要成像模式
高角度环形暗场像（HAADF像）:
HAADF像是STEM模式中极具实用价值的高分辨成像技术，核心是利用高角度散射电子生成图像，能直观呈现原子序数差异，甚至实现单原子级别的观察。
工作原理：
使用环形探测器，只收集被样品原子大角度弹性散射的电子（72-200 mrad），过滤掉直射电子和低角度散射电子。图像亮度与样品中原子的原子序数平方（Z²） 近似成正比，即原子序数越高，散射电子越多，对应图像区域越亮，因此也被称为 “Z 衬度成像”。
图2 孪晶晶界处溶质原子周期性排列。(a)，(b)为Mg-1.9at.%Zn合金孪晶界处HAADF-STEM图像；(c)，(d)为Mg-1.0at.%Gd-0.4 at.%Zn合金孪晶界处HAADF-STEM图像；(e)，(f)为(c)，(d)中图像的示意图，其中的TB为孪晶界。
HAADF成像优势：
衬度直观且可定量：无需复杂的图像解读，亮度直接反映原子序数高低，能快速区分轻、重元素；
分辨率极高：搭配球差校正器后，HAADF 的空间分辨率可达到0.05 纳米（亚埃级），能清晰观察单个原子的排列、空位缺陷或异质原子的掺杂情况。
抗干扰能力强：图像衬度主要由原子序数决定，受样品厚度变化、晶体取向的影响远小于传统 TEM，减少了因样品制备或操作带来的成像误差。
环形明场像（ABF像）：
环形明场像（ABF）是STEM模式下专为轻元素成像设计的关键技术，核心是通过收集特定角度的散射电子，实现对碳、氧、氮等轻元素的高分辨观察。
工作原理：
使用环形探测器，收集穿过样品的直射电子和低角度弹性散射电子，同时过滤掉高角度散射电子。这一设计与 HAADF（收集高角度散射电子）形成互补。图像亮度与样品中原子的原子序数（Z）的1/3次方近似成正比，而非 HAADF 的 Z² 关系。这种衬度特性使其对轻元素（Z
图3 LiTMO2结构沿[100]方向的HAADF-STEM(a)和ABF STEM(b)高分辨图
ABF成像优势：
轻元素高分辨成像：能直接观察轻元素构成的结构，例如催化剂中的碳载体、电池材料中的氧空位、生物样品中的蛋白质骨架，而这些在 HAADF 图像中往往因信号弱难以分辨。
衬度互补性强：与 HAADF 图像形成 “互补衬度”——HAADF 中亮的重原子区域，在 ABF 中可能偏暗；HAADF 中暗的轻原子区域，在 ABF 中反而更亮。两者结合可完整还原样品的元素分布与结构信息。
STEM-EDS联用：
STEM-EDS 联用是透射电镜领域 “形貌观察 + 成分分析” 的核心技术组合，通过将STEM的高分辨成像能力与X射线能谱仪（EDS）的元素分析能力结合，可在原子/纳米尺度同步获取样品的形貌、结构与元素分布信息。
STEM-EDS工作原理：
该技术的本质是利用 STEM 的聚焦电子束激发样品产生特征X射线，再通过 EDS 探测这些特征X射线来分析成分。STEM 在收集电子信号生成形貌图像（如 HAADF、ABF 图像）的同时，EDS 探测器实时接收特征 X 射线，通过分析 X 射线的能量和强度，得到每个扫描点的元素种类与含量，最终生成 “形貌图+元素分布图” 的对应结果。
图4 GaAs半导体材料的EDS元素原子分布图 (a)Ga原子分布；(b)As原子分布；(c)Ga与As 原子分布
STEM-EDS联用优势：
纳米/原子尺度成分定位：可在 HAADF 等高分辨形貌图上，精准定位纳米颗粒、异质原子、界面相的元素组成，例如确定催化剂中 1-5nm 铂颗粒的具体位置与成分纯度
衬度与成分互补验证：STEM 图像的亮度（如 HAADF 的 Z 衬度）可初步判断元素轻重，EDS 的定量结果能进一步验证该区域的具体元素种类与含量，减少单一技术的分析误差。
本文源自微信公众号：中材新材料
原文标题：《从原子级成像到元素定位，STEM 技术凭什么成微观分析 “王牌”？》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/txRPskWG17i_NZHS6k893A
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