在材料研發(fā)的過(guò)程中,檢測(cè)材料的形貌細(xì)節(jié)和品質(zhì),需要各個(gè)方位地了解樣品。掃描電鏡是科學(xué)研究過(guò)程中強(qiáng)有力的表征工具,高分辨成像可以揭示材料細(xì)節(jié)。現(xiàn)在一些比較好的掃描電鏡可以提供一種先進(jìn)的成像技術(shù)--透射模式(Scanning transmission eletron microscopy,STEM),這種成像模式可以呈現(xiàn)出與 SEM 圖像不同的信息。
STEM 模式和 SEM 成像效果有什么不同?
以導(dǎo)電納米復(fù)合材料的研究為例,不同制備方法得到的碳納米管的厚度和長(zhǎng)度有所不同。對(duì)碳納米管進(jìn)行準(zhǔn)確的表征非常重要(包括長(zhǎng)寬比),因?yàn)檫@些參數(shù)直接影響了復(fù)合材料的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能。
但是在實(shí)際的表征過(guò)程中,通常很容易忽略一些細(xì)節(jié)。以下是碳納米管的二次電子模式(SED)和掃描透射模式(STEM)下的成像效果。
碳納米管的 SED 圖(上)和 STEM 圖(下)
在掃描電鏡的 SED 圖中可以直觀顯示碳納米管的粗細(xì),以及碳納米管之間的交織狀態(tài)。但是在 STEM 圖中,可以看到隱藏在 3D 結(jié)構(gòu)中的小顆粒,這些顆粒在 SEM 圖中是無(wú)法看到的。
STEM 模式有哪些成像模式?
STEM 成像包括明場(chǎng)像(bright field,簡(jiǎn)稱 BF),暗場(chǎng)像(dark field,簡(jiǎn)稱 DF)以及高角度環(huán)形暗場(chǎng)像(high-angle annular dark field,簡(jiǎn)稱 HAADF)。
明場(chǎng)(BF)、暗場(chǎng)(DF)和高角度環(huán)形暗場(chǎng)(HAADF)成像示意圖和成像對(duì)比圖
BF 像
主要是樣品正下方同軸的探測(cè)器接收透射電子和部分散射電子。影響明場(chǎng)像襯度(Contrast)的主要因素是樣品的厚度和成分。樣品越厚,原子序數(shù)(Z)越大,穿透樣品的電子越少,圖像就越暗,因此 BF 像對(duì)輕元素(Z 較小)比較敏感。
DF 像
主要是樣品下方非同軸位置的探測(cè)器接收散射電子信號(hào)。
HAADF 像
主要是接收高角度的非相干散射電子信號(hào)。原子序數(shù)(Z)越大,散射角也越大,原子核對(duì)入射電子的散射作用越強(qiáng),圖像上更亮。因此又被稱為 Z 襯度像。
應(yīng)用案例
三種成像模式各有特點(diǎn),具有不同的成像優(yōu)勢(shì),可以根據(jù)樣品情況搭配使用,成像結(jié)果進(jìn)行互相驗(yàn)證。
案例一:煙草花葉病毒
煙草花葉病毒的BSE 像、BF 像、 DF 像和 HAADF 像
對(duì)比掃描電鏡的背散射電子圖像(BSE),桿狀的煙草花葉病毒在 BF 模式下更加直觀。BF 模式更適合觀察輕元素(Z 較小),輕元素散射作用較弱,因此在 HAADF 模式下較難清晰觀測(cè)細(xì)節(jié)。
而桿狀煙草花葉病毒周圍較厚的脂質(zhì)球,電子較難穿透,BF 像上相對(duì)較暗。在 DF 模式下,密度較大的脂質(zhì)球表現(xiàn)出較強(qiáng)的衍射,因此在 DF 像上相對(duì)較亮。
案例二:多壁碳納米管及其催化劑
多壁碳納米管的 BF 像和 HAADF 像,放大倍數(shù):20,000X
根據(jù)成像特點(diǎn),圖 A 的 BF 像,紅色標(biāo)記部位可能是原子序數(shù)(Z)更大的催化劑的位置(并不絕對(duì))。但是在圖 B 的 HAADF 像上,紅色標(biāo)記位置,并未顯示為明顯的“亮點(diǎn)",而黃色標(biāo)記部位才是真正的催化劑存在的位置。可以看出 HAADF 成像在類似案例中可以體現(xiàn)出高 Z 襯度關(guān)聯(lián)性的成像優(yōu)勢(shì)。
案例三:被腎小囊包裹的正常腎小球
小鼠腎標(biāo)本樣品(腎小球和臨近的腎血管)的 STEM 圖。紅色箭頭處可以看到含有紅細(xì)胞的腎小球毛細(xì)血管,毛細(xì)血管被腎小球基底膜和足細(xì)胞的足突包圍。
上圖為被腎小囊(Bowman's capsule)包裹的正常腎小球的超微結(jié)構(gòu)。 STEM 圖顯示了正常腎小球毛細(xì)血管袢和腎小球系膜,與 TEM 下的微觀圖像類似(Moss and Shore,2002)。STEM 圖中的紅色箭頭處清晰顯示了腎小球基底膜、系膜基質(zhì)、系膜胞質(zhì)、足細(xì)胞足突的細(xì)節(jié)以及與基底膜毗鄰的裂孔結(jié)構(gòu)。STEM 圖像顯示了高分辨的超微結(jié)構(gòu),圖像襯度明顯,可以快速捕捉到極小的細(xì)胞變化,并快速分析感興趣部位的微觀結(jié)構(gòu)。
案例四:正常的小鼠胰腺腺泡細(xì)胞
正常的小鼠胰腺腺泡細(xì)胞結(jié)構(gòu) STEM 圖。圖中顯示了酶原顆粒(Z)、液泡、線粒體(M)、腺泡腔(L)和粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(R)。上圖為胰腺星形細(xì)胞,下圖為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。
案例五:人類腦腫瘤組織
人類腦腫瘤組織 STEM 圖。
圖中清晰顯示了細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)特征,髓鞘軸突、線粒體和嵴結(jié)構(gòu)(M)、包含細(xì)胞間質(zhì)纖維和囊泡的星形細(xì)胞結(jié)構(gòu)(紅色箭頭處)。圖中可以清晰觀測(cè)到細(xì)胞結(jié)構(gòu)和細(xì)胞器之間的關(guān)系。
培養(yǎng)的全能干細(xì)胞的 STEM 圖
晶狀體上皮細(xì)胞內(nèi)有大量的細(xì)胞質(zhì)器,如線粒體和卵圓形細(xì)胞核。均質(zhì)的細(xì)胞外觀與早期細(xì)胞分化階段的細(xì)胞相似(數(shù)據(jù)來(lái)自 ROR1e LECs)。圖中可以清晰看到晶狀體的微結(jié)構(gòu),包括靠近組織周圍的晶狀體上皮細(xì)胞,以及與之相鄰的具有桿狀細(xì)胞核的未成熟的晶狀體纖維細(xì)胞,具有圓形細(xì)胞核的細(xì)胞和晶狀體纖維細(xì)胞類似。
以上案例均使用飛納電鏡最新發(fā)布的產(chǎn)品-- Phenom Pharos STEM 臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射 SEM-STEM 電子顯微鏡拍攝。