利用扫描电子透射显微镜 (STEM) 可以实验性地获得微观样品的高分辨率图像。它是研究纳米技术发展中所用纳米材料复杂结构的有效方法。

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对于纳米科学应用而言，电子显微镜已成为关键的表征方法之一。这是因为与标准光学显微镜方法相比，电子显微镜可以实现更高的空间分辨率。

当光穿过狭缝时，会发生衍射，光波会散开（图 1）。光波会相互发生干涉或干涉，从而在屏幕上形成亮线和暗线。

光的波长决定了波的衍射量。由于红光的波长较长，因此在可见光谱中衍射最多。波长较长的光比波长较短的光衍射更多。如图 2(a) 和 2(b) 所示，用红光创建的图像比用紫外线或蓝光创建的图像更模糊。这些现象导致了显微镜的阿贝衍射极限 - 最终决定了可以分辨的最小物体。

图 1.光衍射图解。图片来源：Ilamaran Sivarajah

如图 2(a) 和 2(b) 所示，用红光创建的图像比用紫外线或蓝光创建的图像更模糊。这些现象导致了显微镜的阿贝衍射极限 - 最终决定了可以分辨的最小物体。

图 2.使用透镜聚焦来自 (a) 红色激光和 (b) 蓝色激光的衍射光束后形成的物体图像的图示。图片来源：Ilamaran Sivarajah

电子显微镜的发展

第一台电子显微镜于 1933 年开发，使得制造分辨率更高的显微镜成为可能。

电子显微镜主要分为两种：透射电子显微镜 (TEM) 和扫描电子显微镜 (SEM)。扫描透射电子显微镜 (STEM) 将 SEM 的空间扫描功能与 TEM 中使用的检测几何形状相结合，提供可用于对物体进行详细局部化学分析和空间重建的信息。

图 3(a) 描述了 TEM 的基本工作原理。电子枪产生电子束源。聚光透镜、物镜和投影透镜都是 TEM 的组成部分，它们组成了用于形成和控制电子束的透镜组（图 3(a)）。

在 TEM 中，样品在透射几何结构中测量，其中光束直接穿过放置在后面的相机上的样品。在 SEM 中，不是仅使用宽光束一次测量整个样品，而是通过使用扫描线圈移动聚焦电子，使光束在样品上进行光栅扫描。在 SEM 中，检测和图像重建通常通过收集背散射电子来执行，这也可用于提供元素组成信息。

STEM 对纳米技术的影响

STEM 采用与 SEM 相同的扫描原理，但图像是在透射几何结构中获取的。由于光束扫描样品，因此 STEM 图像中不需要投影仪或物镜，这也使得可以添加额外的辅助检测器以提供有关样品的更多分析信息。

纳米级空间分辨率使得 STEM 对于纳米技术应用具有不可估量的价值，并且许多 STEM 测量还利用附加设备对样品进行操作，以使测量结果更接近操作条件。

使用 STEM 执行的测量和表征类型的一些一般示例包括研究纳米粒子系统的尺寸、形状、缺陷、表面结构和电子状态。

STEM 成像应用的一些示例包括研究环境对铜纳米粒子的影响。在 STEM 中可以添加其他设备，例如将样品加热到极高的温度以及在样品上流动气体，这使得进行原位环境研究成为可能。

在这种情况下，可以监测氧化过程，可以看到来自内部和外部区域的铜阳离子的移动，以及任何不是由温度升高或添加气体驱动的电子束诱导的氧化。

纳米科学研究的另一个非常活跃的领域是界面研究。界面的不寻常之处在于，它们的属性通常与块体材料非常不同，但由于其尺寸有限，研究它们可能具有挑战性。

STEM 可用于观察界面区域基质和表面之间的相互作用，甚至可以测量物种之间的机械力或相互作用力。

STEM 中的许多界面研究利用液体细胞，其中固体表面与所含液体混合。

其主要应用领域包括腐蚀或过程研究，其中 STEM 的高空间分辨率使得人们能够看到在电化学水分解以生成清洁氢气等工作过程中气泡是如何形成的。

液体/固体电解质的原位表征在电池研究中也很受欢迎，其中 STEM 用于研究最终可能破坏电极并限制电池寿命的脱锂过程。

更先进的 STEM 变体对于电池研究尤其有价值，例如该技术的 4D 版本不仅可以提供样品的 3D 空间信息，还可以监测样品的时间响应，通常在短于皮秒的时间范围内。4D STEM 还被用于观察电池中的脱锂过程以及许多其他电化学过程。

图 3. (a) 透射电子显微镜 (TEM) 和 (b) 扫描电子显微镜 (SEM) 的示意图。图片来源：Ilamaran Sivarajah

已经开发出许多基于 STEM 的评估纳米材料相互作用力或机械性能的定量技术，这意味着该工具不仅可以用于成像结构或计算元素组成，还可以用于评估纳米物体的行为。

随着制造技术的进步，开发执行机械工作的纳米机械的尝试变得越来越普遍，STEM 正成为一种越来越宝贵的分析和表征工具。