作者：孙千 本文转载自公众号：老千和他的朋友们。原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/SWi0Nvdhkcn9wOPsh6TfQA
人类的眼睛无法直接感知电子，在透射电镜（TEM）中 “看见” 电子，核心是把电子与样品相互作用形成的无形电子强度分布，通过探测（显示）和记录两步，转化为肉眼能观测的可见光分布。随着电子成像与存储技术发展，这一过程正从模拟向数字变革，数字数据因定量分析便捷，逐渐取代传统照相数据。
电子探测与显示
电子探测与显示是 “看见” 电子的关键，核心是将电子信号转化为可见光信号，主要依靠观察屏和各类专用探测器。
观察屏
观察屏是传统 TEM 的核心显示部件，表面涂覆经掺杂改性的硫化锌（ZnS）材料，可发射 550 纳米左右的绿光，该波长处于可见光谱中间，能减少人眼疲劳。为保证成像清晰，硫化锌晶粒尺寸需小至肉眼无法分辨，典型尺寸为 50 微米，最高分辨率可达 10 微米。
早期的飞利浦TEM电镜
观察屏工作时会释放 X 射线，必须用铅玻璃防护，高压电子显微镜（HVEM）的铅玻璃厚度甚至可达数十毫米，以确保辐射安全。避免中心斑点灼烧是延长观察屏寿命的关键，可通过 “仅插入选区光阑时切换衍射模式”“仅在第二聚光镜过聚焦时切换衍射模式” 等操作实现。
现代 TEM 摒弃了传统设计，取消了操作员专属观察屏，改用与镜筒分离的控制台平板计算机显示，既支持多人共享和远程观察，又能隔离镜筒，避免操作员活动影响电镜分辨率。
现代透射电镜产线
专用探测器
除观察屏外，专用探测器是电子探测的核心，按工作原理和应用场景分为四类：
- 半导体探测器：以掺杂硅单晶片为核心，通过形成 p-n 结将电子信号转化为电流。易于制造、更换成本低，可定制环形或四象限形状，适合探测高能前向散射电子和背散射电子，但对低能二次电子不敏感，暗电流较大、响应速度较慢，不适合快速扫描成像。
图1 表面势垒型半导体探测器。该探测器的配置适用于探测高能前向散射电子。显微镜光轴上的小型圆形探测器用于探测直射电子束，其周围环绕着同心广角环形探测器，用于探测所有散射电子。
- 闪烁体 – 光电倍增管系统：利用闪烁体受电子撞击发光的特性，先将电子信号转化为可见光，再通过光导管传导至光电倍增管放大，增益可达 10ⁿ（n 为倍增极数量，常见 n=10），探测量子效率接近 0.9，噪声低、带宽宽，是大多数 TEM/STEM 常规探测的首选，尤其适合二次电子探测和电视速率成像，但体积大、成本高，闪烁体易受辐射损伤。
图2 透射电子显微镜（TEM）中二次电子（SE）探测用闪烁体 – 光电倍增管探测器系统.样品产生的二次电子螺旋向上穿过物镜极靴，在高压加速下撞击闪烁体并产生可见光；可见光通过光纤传输至光电阴极，在此重新转化为电子。电子信号经光电倍增管（PM 管）内的多个电极（倍增极）放大后，用于调制显示屏。
- 电荷耦合器件（CCD）探测器：数字探测的早期代表，由数百万个像素组成，通过势阱积累电荷并串行读出。冷却后噪声极低、动态范围宽、响应线性好，目前 TEM 常用的 CCD 尺寸为 4k×4k 像素，单个像素最小仅 6 微米，能满足高分辨图像实时记录需求，不足是成本较高且存在溢出现象，不过可通过器件结构优化改善。
图3 电荷耦合器件（CCD）阵列的工作原理（A）CCD 阵列中的单个单元，显示单个像素下方势阱内的电荷存储过程；（B）若按图示顺序改变像素行的施加电势，一行像素会转移至并行寄存器并逐像素读出，随后下一行像素移入并行寄存器，依此类推。每个像素中存储的电荷最终被送入放大器并数字化。
- 直接电子探测器：近年兴起的技术革新产物，无需 “电子–光子–电子” 转换，电子直接入射抗辐射传感器，避免了能量转换损耗，在探测量子效率（DQE）和信号噪声比（SNR）上大幅提升。
图4. （a）闪烁体耦合探测器示意图：入射电子转化为光子，经光纤传输后到达传感器；（b）直接电子探测器示意图：电子直接入射抗辐射传感器；（c）CCD 读出架构：电荷逐行转移到串行读出寄存器，转化为电压，对 CTE 要求高，辐射损伤会影响性能；（d）CMOS 读出架构：每个像素内电荷直接转化为电压，整行像素通过列线同时读出，读出速度快。
直接电子探测器主要分为三类：混合像素阵列探测器（HPADs）、单片有源像素传感器（MAPS）和 pnCCD 探测器。HPADs 的传感器芯片与 CMOS 读出芯片通过凸点键合连接，传感器芯片厚 300-500 微米，可完全阻挡入射电子，像素间距较大；MAPS 采用单芯片设计，敏感层仅 5-15 微米，电子仅沉积部分能量，像素尺寸更小、数量更多，相同视场下分辨率更高；pnCCD 探测器则采用独特的读出架构。
直接电子探测器是一个多技术路径集合，仅 HPADs（读出芯片）和 MAPS（单芯片）与 CMOS 相关，pnCCD 不基于 CMOS，因此不能认为直接电子探测器基于 CMOS。
图5. （a）HPADs 横截面示意图：300-500 微米厚的传感器芯片与 CMOS 读出芯片凸点键合；（b）MAPS 横截面示意图：敏感外延层仅 5-15 微米，无需阻挡电子；（c）–（e）60keV、120keV、300keV 电子在硅中的轨迹模拟，高能电子横向扩散显著，HPADs 需大像素适配；（f）–（h）聚焦硅表面 8 微米深度的电子轨迹，横向扩散小，MAPS 可采用小像素。轨迹通过 CASINO 软件模拟。
直接电子探测器有三种工作模式：电荷积分模式受读出噪声、复位噪声和朗道噪声影响，单电子信噪比随电子束能量变化；电子计数模式可消除读出噪声和朗道噪声，仅受散粒噪声限制，部分探测器支持 HDR 计数模式；事件驱动模式仅当像素强度超阈值时产生数据，数据效率更高。
图像记录：从模拟到数字
探测到的电子信号需通过有效方式记录留存，这一领域经历了从模拟到数字的革命性转变。
照相乳胶（胶片）是最古老的记录介质，部分使用年限超十年的 TEM 仍在沿用。它以卤化银晶粒为核心，电子撞击后卤化银电离转化为银，形成图像。胶片的感光度与晶粒尺寸正相关，感光度越高，晶粒越大，分辨率越低 —— 高感光度胶片晶粒约 5 微米，低感光度胶片约 4 微米，受电子扩散影响，实际记录分辨率仅 20-50 微米。
尽管照相乳胶的探测量子效率较高，但存在动态范围有限、易饱和、污染真空环境、需用有害化学物质处理等弊端，且无法满足定量分析需求，已逐步被数字记录技术淘汰。
数字记录技术凭借低成本、易用性强、无退化等优势成为主流，存储方式包括硬盘磁存储、光盘（DVD）光存储和 HDF5 压缩存储等。其中 HDF5 格式配合机器学习分析，能高效处理 4D STEM、原位 TEM 等技术产生的海量数据（如每小时 10 太字节）。
辅助记录技术也在发展，富士公司的成像板可重复使用并支持在线图像处理，激光打印机分辨率可达 1200dpi，能满足学术发表需求。但数字存储存在读取设备过时的风险，如 3.5 英寸软盘、ZIP 磁盘等早期存储介质现已难以读取，给长期数据留存带来挑战。
扫描图像与静态图像：质量逐步趋同
TEM 中的图像分为传统 TEM 模式的模拟静态图像和扫描透射电镜（STEM）模式的数字扫描图像。
静态图像由固定入射光束形成，直接投射至观察屏，信息密度极高 ——100 微米 ×100 微米范围内约有 10⁷个像素；扫描图像通过细小探针在样品区域扫描构建，可在线增强对比度、降低噪声并进行数学处理，但早期受显示屏像素限制（高清屏约 2×10⁶个像素）和电子束驻留时间（典型值 1 毫秒）影响，质量不及静态图像。
随着场发射枪技术、探针电流校正技术的提升，以及直接电子探测器等先进设备的应用，STEM 数字图像质量实现质的飞跃，如今已能与模拟 TEM 图像相媲美，打破了两种成像模式的质量壁垒，发挥了数字技术的灵活性优势。
直接电子探测器的典型应用
直接电子探测器凭借高 DQE、高 SNR 和快速读出能力，已深度应用于材料科学的各类电镜技术中：
- 低剂量成像领域：对金属有机框架、卤化物钙钛矿等电子束敏感样品，相同剂量下能获得更清晰图像，MAPS 探测器的电子计数模式因高像素数成为首选，在 2 e⁻/Ų 的低剂量下，可清晰呈现 β 沸石的晶格结构。
- 原位 TEM 与超快 TEM 研究：高灵敏度可减少电子束对样品的损伤，满足动态过程观察需求 ——MAPS 探测器的积分模式帧率可达 100 帧 / 秒以上，能捕捉纳米颗粒动力学、催化剂原子结构波动等；在超快 TEM 中，可提高激光激发电子脉冲的探测效率，已应用于纳米棒声学振动、电荷密度波域演化的可视化研究。
- 电子背散射衍射（EBSD）技术：可适配 3-5keV 的低能电子束，提升空间分辨率并减少充电效应，通过任意核行寻址（AKRA）技术，帧率最高可达 6000 帧/秒，即便对衍射图案进行子采样，仍能完成晶体学索引，满足高通量分析需求。
- 4D STEM 与扫描旋进电子衍射（SPED）领域：快速读出和单电子灵敏度使其成为理想选择，HPADs 的高动态范围适合同时记录明场盘和弱暗场信号，MAPS 探测器通过 HDR 计数模式弥补动态范围不足，广泛应用于二维材料、金属玻璃、钙钛矿等材料的结构分析。
- 电子能量损失谱（EELS）与能量过滤 TEM（EFTEM）研究：能减少样品剂量和漂移，高效捕捉弱核心损失信号，推动元素组成与化学成键信息分析的精准化。
数字时代的机遇与挑战
当前，TEM 正处于模拟图像向数字图像的过渡阶段。电子探测领域已形成半导体探测器、闪烁体–光电倍增管系统、CCD 探测器和直接电子探测器共同构成的核心体系，其中直接电子探测器凭借无能量转换损耗的优势，成为技术革新核心，推动了低剂量成像、原位 TEM、4D STEM 等前沿技术突破。
图像记录领域，数字技术已全面取代传统照相胶片，“胶片时代” 逐步落幕。未来，TEM 将产生更多高质量数字数据，直接电子探测器有望成为电子显微镜的核心探测器，持续赋能材料科学、生命科学等领域的深度研究。
但数字时代也面临挑战：数字存储存在潜在风险，我们至今能解读 19 世纪 80 年代的胶片图像，却可能无法读取 20 世纪 70 年代的计算机穿孔卡片或 90 年代的 ZIP 磁盘数据，建立长期稳定的数据存储与读取标准至关重要。
此外，用照相乳胶记录的早期 TEM 原始论文图像，为追溯技术发展、理解科学原理提供了宝贵依据，值得科研人员珍视与研读。
参考资料
Howto‘See’ Electrons
Direct detectors and their applications in electron microscopy for materials science
