在材料研发的过程中，检测材料的形貌细节和品质，需要各个方位地了解样品。扫描电镜是科学研究过程中强有力的表征工具，高分辨成像可以揭示材料细节。现在一些比较好的扫描电镜可以提供一种先进的成像技术--透射模式（Scanning transmission eletron microscopy，STEM），这种成像模式可以呈现出与 SEM 图像不同的信息。

STEM 模式和 SEM 成像效果有什么不同？

以导电纳米复合材料的研究为例，不同制备方法得到的碳纳米管的厚度和长度有所不同。对碳纳米管进行准确的表征非常重要（包括长宽比），因为这些参数直接影响了复合材料的机械性能和导电性能。

但是在实际的表征过程中，通常很容易忽略一些细节。以下是碳纳米管的二次电子模式（SED）和扫描透射模式（STEM）下的成像效果。

碳纳米管的 SED 图（上）和 STEM 图（下）

在扫描电镜的 SED 图中可以直观显示碳纳米管的粗细，以及碳纳米管之间的交织状态。但是在 STEM 图中，可以看到隐藏在 3D 结构中的小颗粒，这些颗粒在 SEM 图中是无法看到的。

STEM 模式有哪些成像模式？

STEM 成像包括明场像（bright field，简称 BF），暗场像（dark field，简称 DF）以及高角度环形暗场像（high-angle annular dark field，简称 HAADF）。

明场（BF）、暗场（DF）和高角度环形暗场（HAADF）成像示意图和成像对比图

BF 像

主要是样品正下方同轴的探测器接收透射电子和部分散射电子。影响明场像衬度（Contrast）的主要因素是样品的厚度和成分。样品越厚，原子序数（Z）越大，穿透样品的电子越少，图像就越暗，因此 BF 像对轻元素（Z 较小）比较敏感。

DF 像

主要是样品下方非同轴位置的探测器接收散射电子信号。

HAADF 像

主要是接收高角度的非相干散射电子信号。原子序数（Z）越大，散射角也越大，原子核对入射电子的散射作用越强，图像上更亮。因此又被称为 Z 衬度像。

应用案例

三种成像模式各有特点，具有不同的成像优势，可以根据样品情况搭配使用，成像结果进行互相验证。

案例一：烟草花叶病毒

烟草花叶病毒的BSE 像、BF 像、 DF 像和 HAADF 像

对比扫描电镜的背散射电子图像（BSE），杆状的烟草花叶病毒在 BF 模式下更加直观。BF 模式更适合观察轻元素（Z 较小），轻元素散射作用较弱，因此在 HAADF 模式下较难清晰观测细节。

而杆状烟草花叶病毒周围较厚的脂质球，电子较难穿透，BF 像上相对较暗。在 DF 模式下，密度较大的脂质球表现出较强的衍射，因此在 DF 像上相对较亮。

案例二：多壁碳纳米管及其催化剂

多壁碳纳米管的 BF 像和 HAADF 像，放大倍数：20,000X

根据成像特点，图 A 的 BF 像，红色标记部位可能是原子序数（Z）更大的催化剂的位置（并不绝对）。但是在图 B 的 HAADF 像上，红色标记位置，并未显示为明显的“亮点”，而黄色标记部位才是真正的催化剂存在的位置。可以看出 HAADF 成像在类似案例中可以体现出高 Z 衬度关联性的成像优势。

案例三：被肾小囊包裹的正常肾小球

小鼠肾标本样品（肾小球和临近的肾血管）的 STEM 图。红色箭头处可以看到含有红细胞的肾小球毛细血管，毛细血管被肾小球基底膜和足细胞的足突包围。

上图为被肾小囊（Bowman's capsule）包裹的正常肾小球的超微结构。 STEM 图显示了正常肾小球毛细血管袢和肾小球系膜，与 TEM 下的微观图像类似（Moss and Shore，2002）。STEM 图中的红色箭头处清晰显示了肾小球基底膜、系膜基质、系膜胞质、足细胞足突的细节以及与基底膜毗邻的裂孔结构。STEM 图像显示了高分辨的超微结构，图像衬度明显，可以快速捕捉到极小的细胞变化，并快速分析感兴趣部位的微观结构。

案例四：正常的小鼠胰腺腺泡细胞

正常的小鼠胰腺腺泡细胞结构 STEM 图。图中显示了酶原颗粒（Z）、液泡、线粒体（M）、腺泡腔（L）和粗面内质网（R）。上图为胰腺星形细胞，下图为内质网的精细结构。

案例五：人类脑肿瘤组织

人类脑肿瘤组织 STEM 图。

图中清晰显示了细胞的超微结构特征，髓鞘轴突、线粒体和嵴结构（M）、包含细胞间质纤维和囊泡的星形细胞结构（红色箭头处）。图中可以清晰观测到细胞结构和细胞器之间的关系。

培养的全能干细胞的 STEM 图

晶状体上皮细胞内有大量的细胞质器，如线粒体和卵圆形细胞核。均质的细胞外观与早期细胞分化阶段的细胞相似（数据来自 ROR1e LECs）。图中可以清晰看到晶状体的微结构，包括靠近组织周围的晶状体上皮细胞，以及与之相邻的具有杆状细胞核的未成熟的晶状体纤维细胞，具有圆形细胞核的细胞和晶状体纤维细胞类似。

以上案例均使用飞纳电镜最新发布的产品--  Phenom Pharos STEM 台式场发射 SEM-STEM 电子显微镜拍摄。