6-Scanning-Transmission-Electron-Microscopy

扫描透射电子显微镜(STEM)扫描透射电子显微镜(STEM)ScanningTransmissionElectronMicroscopy马超[e-mail]合肥微尺度物质科学国家实验室中国科学技术大学扫描透射电子显微镜(STEM)()ScanningTransmissionElectronMicroscopyα3mradSpotsize2nmα10mradSpotsize0.2nmCBEDSTEMSlSlConvergentBeamSpotseThickness80nmSpotse0.Thickness50nmConvergentBeamSampleSampleTEMSEMSTEMDetectorSampleDetectorDetectorDetectorS/TEMDedicated STEMDetector扫描透射电子显微镜(STEM)ScanningTransmissionElectronMicroscopScanningTransmissionElectronMicroscopy扫描透射电子显微镜(STEM)ScanningTransmissionElectronMicroscopyScanningTransmissionElectronMicroscopySTEMiSTEMimage扫描透射电子显微镜(STEM)二次电子扫描像X射线能谱X射线能谱获得在原子尺度的信息：1STEM图像（BFABFMAADFHAADF)1，STEM图像（BF,ABF,MAADF,HAADF)2，电子能量损失谱(EELS)3X射线能谱(EDS)ADF-STEM图像3，X射线能谱(EDS)4，二次电子成像(SEI)的表面SEM像BF,ABF像电子能量损失谱主要内容6.1,不同类型的STEM像：取决于探测器的几何形状和位置明场像：Brightfield(BF)环形明场像：AnnularBrightField(ABF)低角环形暗场像LowAngleAnnularDarkField(LAADF)低角环形暗场像：LowAngleAnnularDarkField(LAADF)高角环形暗场像：HighAngleAnnularDarkField(HAADF)62应用6.2,应用确定原子结构：不同元素的原子坐标(空位、铁电极化、位错、结构畸变、应力等与原子位置相关的结构特征)()化学元素分布6.3,与其他TEM实验技术的结合6.3,与其他TEM实验技术的结合X射线能谱：X-RayEnergyDispersionSpectroscopy(EDS)电子能量损失谱：ElectronEnergyLossSpectroscopy(EELS)二次电子像（扫描）：SecondlyElectronImage(SEI)主要内容1,不同类型的STEM像：取决于探测器的几何形状和位置明场像：Brightfield(BF)环形明场像：AnnularBrightField(ABF)低角环形暗场像：LowAngleAnnularDarkField(LAADF)高角环形暗场像高角环形暗场像：HighAngleAnnularDarkField(HAADF)探测器类型与成像模式不同成像模式的成像原理暗场像（DF)明场像（BF）晶体结构晶体结构扫描透射电子显微镜(STEM)两个关键因素：两个关键因素：探测器类型探测器类型电子束特征探测器类型决定了成像模式和获得的具体信息。电子束特征决定了成像质量。子束特征决定了成像质量昀小电子束斑可达到0.1nm以下，因而可以实现对单原子的成像和单原子能谱分析。§6.1STEM像的成像原理：探测类型与成像模式STEM的成像模式取决于探测器的几何形状和位置可探测器的几何形状和位置。可以分成多个成像模式，以获得不同的图像信息不同的图像信息。通过连续改变相机常数，可在固定的ADF探测器上获得可在固定的ADF探测器上获得不同接收角的信号。提高分辨率选择不同成像模式的目的：提高分辨率增强图像衬度从特定样品中获取J. Liu, J. Electron. Microsc. 54 (2005) 251从特定样品中获取特殊的信息CircularBright-Field(BF)STEMimage明场像θcα(coherentBF)θc~α(incoherentBF)θcαLargeangleBright(coherentBF)PhasecontrastDiffractioncontrast(incoherentBF)NoPhasecontrastDiffractioncontrastLargeangleBrightField(LABF)NoPhasecontrastNodiffractioncontrast明场(BF)STEM像在BF-STEM像中出现的相位衬度BF-STEM像：接收角较小Large-angleBF-STEM像：接收角较大和衍射衬度在Large-angleBF-STEM像中几乎消失了。主要由吸收效应、弱衍射衬度和电子通道效应等产生样品：γ氧化铝晶粒上负载的Pt纳米颗粒射衬度和电子通道效应等产生。J.Liu,ScanningTransmissionElectronMicroscopyofNanoparticles,inCharacterizationofNanophasematerials,EditedbyZ.L.WangAnnular Dark‐Field (ADF)STEMi(ADF) STEM image环形暗场像αθinner50mradLow-AngleAnnulargdark-Field(LAADF)Middle-AngleAnnularDark-Field(MAADF)3αθ3αθinnerHigh-AngleAnnularDark-Field(HAADF)()Z-contrastimagingNophasecontrastNodiffractioncontrast接收角大小对环形暗场像(ADFSTEM)的衬度的影响High-angleannulardark(ADF-STEM)的衬度的影响field(HAADF)imaging在角SrTiO3SrTiO3-δLaTiO3Low-angleannulardarkfield(LAADF)imaging在低角ADF-STEM像中能观察field(LAADF)imaging,10nmthick到衍射衬度效应，因为探测器能收集Low-angleannulardark因为探测器能收集部分衍射束。gfield(LAADF)imaging,30nmthickD.A.Muller,etal.,Nature430(2004)657接收角大小对环形暗场像(ADF-STEM)的衬度的影响样品：Si/SiO2界面50mrad25mrad在低角ADF像中，能观察到界面处的晶格应力产生Z. Yu, et al., J. Appl. Phys. 95 (2004) 3362在低角ADF像中，能观察到界面处的晶格应力产生的衬度（途中白色区域）。互补的BF-STEM像与ADF-STEM像ADF-STEMBF-STEMVacuumVacuumVacuumSampleSampleAnnularBright-FieldAnnularBright-Field(ABF)STEMimage环形明场像环形明场像0θα0θcαOptimumcollectionangleθinner=α/2,θouter=αThinAnnularDetector(TAD)θθθinnerα,θouterαBright-fieldimage(TADBF)Dark-fieldimage(TADDF)环形明场STEM像ABFABF-STEMVacuumSampleBF利用ABF像可以同时观察到轻元素和重元素而BF像和ADF像元素和重元素，而BF像和ADF像很难观察到轻元素。DifferentialPhaseContrast(DPC)microscopyWXYZ如果样品中存在沿某一方向的电场或磁场，则电子束会受该场的作用而运动方向发生偏转，从而在衍射面上的强度分布不再是中心对称了，导致在探测器不同部位的信号强度不同利用该现象可在纳米尺度甚至原子尺度内研究样品内N. Shibata, et al., Nature Physics 8 (2012) 611同部位的信号强度不同。利用该现象可以在纳米尺度甚至原子尺度内研究样品内的电场和磁场分布。DifferentialPhaseContrast(DPC)microscopy观察铁电畴观察磁畴TUhlidJZkPhRLtt93N. Shibata, et al., Nature Physics 8 (2012) 611T. Uhligand J. Zweck, Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 047203采用不同探测器获得的STEM像衬度之间的差异沸石晶体上的金属颗粒的像STEM像。(a)BF像给出了大沸石颗粒边BFMAADF缘处的小金属颗粒。(b)在LAADF像中，金属颗粒在沸石颗粒边缘处为亮的衬度，而在中心处表现出暗的衬度。LAADFHAADF(c)MAADF像中的金属颗粒衬度非常弱。(d)在HAADF像中，所有的金属颗粒都表现出亮的衬度。属粒都表J.Liu,ScanningTransmissionElectronMicroscopyofNanoparticles,inCharacterizationofNanophasematerials,EditedbyZ.L.Wang采用不同探测器获得的STEM像衬度之间的差异SrTiO3单晶沿[001]带轴的原子分辨STEM像3α=20mrad(a)HABF,0-16mradHABFMABFLABF(b)HAADF,70-185mrad(c)MABF0-95mrad(c)MABF,0-9.5mrad(d)HAADF,40-160mradHAADFHAADFADF(e)LABF,0-5mrad(f)ADF,20-35mradY. Kotaka, et al., Appl. Phys. Lett. 101, 133107 (2012)采用不同探测器获得的STEM像衬度之间的差异HAADFMABFdoubledetectorABFSrTiO3[001]GaN[1120]LiCoO2[1120]2[]Y. Kotaka, et al., Appl. Phys. Lett. 101, 133107 (2012)利用不同模式的原子分辨STEM像观察化合物中的轻原子，如Li,N,O等。主要内容6.1,不同类型的STEM像：取决于探测器的几何形状和位置明场像：Brightfield(BF)环形明场像：AnnularBrightField(ABF)低角环形暗场像：LowAngleAnnularDarkField(LAADF)高角环形暗场像高角环形暗场像：HighAngleAnnularDarkField(HAADF)探测器类型与成像模式不同成像模式的成像原理电子束经过样品时发生的散射过程弹性散射：低散射角非弹性散射非弹性散射二次散射与多重散射热漫散射(TDS)热漫散射(TDS)高阶Bragg散射：HOLZ不同STEM探测器的相对位置High-AngleAnnularDark-HAADFHigh-AngleAnnularDark-Field(HAADF)STEMimage高角环形暗场像LAADF高角环形暗场像(Z-contrastimaging)BFAnnularBright-Field(ABF)STEMimageABF环形明场像选择不同的探测器本质上是选择发生不同散射现象的电子以用于成像BFABFADFExperimentExperimentCalculation相干成像与非相干成像的比较()自照明成像强度的叠加两个点可分辨(a)自照明