高角环形暗场STEM

高角环形暗场STEM（HAADF-STEM）

在扫描透射电子显微镜（STEM）中，聚焦到小尺寸的电子束在样品表面上进行并行光栅扫描，探测器收集由于电子与样品固体相互作用产生的信号。信号强度可能因晶体结构、取向、成分等不同而变化，用于构建每个像素的材料属性的二维图。STEM的空间分辨率由聚焦探针束的大小限制。STEM的优点是不需要成像透镜，这些透镜不可避免地具有一些色差，限制了TEM图像的分辨率，样品厚度相对较厚。STEM的缺点是图像获取速度较低（单幅图像需要几秒到几分钟），因为信号是串行记录的。

在明场（BF）STEM中，收集到的信号是没有被晶体样品衍射的直接透射电子。同样，暗场（DF）STEM图像可以通过仅收集衍射电子获得。尽管STEM的成像原理不同于TEM，但如果将STEM中的电子探测器视为TEM中的物镜孔，两种显微技术可以看作是等效的，后者（STEM中的探测器）放置在物镜的后焦平面上。

高角环形暗场STEM（HAADF-STEM）允许观察具有更高分辨率和成分信息的STEM图像。如下图所示，HAADF-STEM图像通过在物镜后焦平面上放置的环形暗场探测器收集高角散射电子形成。图像形成机制基于以下事实：当束扫描过原子柱时，沿晶体通道方向入射的电子束被原子热振动以相对高角度（> 70毫弧度）散射。因此，在HAADF-STEM图像中，原子位置显示为亮点，强烈依赖于柱中原子的平均原子序数。由于这一特性，HAADF-STEM（又称Z对比成像）是成分分析的强大技术，特别是对大原子序数元素的分析。HAADF-STEM的空间分辨率由聚焦探针束的大小限制，如同普通STEM。在良好的条件下，可以实现原子级的空间分辨率，尽管这样的样品必须足够薄（通常薄于几十纳米）以避免束扩展。HAADF-STEM相对于HRTEM的优点是对焦条件和样品厚度变化不敏感，这两者在很大程度上影响HRTEM图像的相位敏感对比度 。