將高能電子照射在固體樣品上，會產生穿透電子、反射電子、二次電子、X射線等信號，如圖3-22所示。這些信號可以通過儀器處理，以得到樣品的結構與成分。如果處理信號的儀器能分辨樣品上不同位置所發出信號的差別，就能形成樣品的放大像。電子顯微鏡放大成像的基本原理可以大致分為兩類：一種是將電子束打在樣品上較大範圍，然後用一套電磁鏡頭，將產生信號的區域放大，以分辨其中的微小結構，例如主要利用穿透過薄樣品的電子成像的，就是穿透電子顯微鏡（transmission electron microscope, TEM），這種方法和傳統的光學顯微鏡幾乎完全相同。另一個辦法是將電子束聚焦成直徑若干納米，用來掃描樣品，再將隨時間而變（也隨掃描到的地點而變）的信號，重組成樣品的像，例如利用電子微探束掃描樣品的表面，取二次電子信號成像的，稱為掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）。新型的穿透電子顯微鏡，若兼具有掃描微探電子束的功能者，即為本篇所要介紹的掃描穿透電子顯微鏡（scanning transmission electron microscope, STEM）。因此，就儀器結構及分析功能而言，STEM可視為一台TEM與SEM結合之多功能材料分析電子顯微鏡。

一台STEM可以分成電磁透鏡系統、高電壓系統、真空系統、冷卻系統、電子控制系統等幾個大部件，另外還可能有附件。高電壓系統產生100keV到1MeV的加速電壓，送入鏡筒上端的電子槍，將場發射式電子槍加溫發射出的高亮度的電子束（以本校新添購之Phillip F20 STEM為例，如圖3-23所示），經過condenser lens聚光鏡後到達樣品室。在這裡穿透樣品，再通過物鏡、中間鏡和投影鏡等一共三級放大，到達螢光板、相機或電子束專用CCD攝影系統。一般的電磁透鏡都是由線圈繞著鐵心產生強磁場，具有能將通過的電子聚焦，有如玻璃透鏡將光線聚焦。控制電磁透鏡（簡稱磁鏡）的電流，就能調節磁鏡的焦距。因此，由磁鏡電流的控制，STEM能將樣品的影像放大，最後投射在螢光屏上，放大的倍數可達1000000倍以上。在研究晶體結構方面，繞射圖型(Diffraction Pattern)和顯微影像同樣重要。其示意圖如圖3-24（電子繞射圖型）及圖3-25（TEM明視野影像）所示。

圖3-23 Phillip Tecnai F20掃描穿透式電子顯微鏡剖面圖

STEM的加速電壓通常是介於100kV到400kV，部分特殊儀器加速電壓高達1000kV。在不考慮相對論效應下，由德布各利關係式（De Broglie Relation）可知，電子受高壓加速時，其波長與加速電壓由下列之關係λ= 12.26/√V (A)可計算出電子波長大約0.0037nm到0.0018nm。

此外STEM的解析度主要取決於兩個主要的因素，即電子的波長和透鏡的缺陷。加速電壓愈高，波長愈短，解析度也愈佳，同時因電子動能增高，電子對試片的穿透力也增加，所以試片可觀察的厚度也能相對增加。另外影響解像能的因素是像差，像差的來源大致有四種：(1)繞射像差(Diffraction Aberration)－這是物理光學的基本限制。(2)球面像差(Spherical Aberration)－這是來自物鏡的缺陷，不易校正。(3)散光像差(Astigmatism)－這是由物鏡磁場不對稱而來，因為圓形對稱軟鐵磁片製作時精度控制困難，同時顯微鏡使用中，污染的雜質附於極片上也會導致像差，一般用像差補償器(Stigmator)產生與散光像差大小相同方向相反的像差來校正。(4)波長散佈像差(Chromatic Aberration)－因為電子的波長會隨著加速電壓或透鏡電流不穩而改變，也可能與試片作非彈性碰撞喪失能量，所以電磁透鏡的焦距變化與入射電子能量有關，可以據此導出影像模糊的半徑與波長散佈像差係成正比。STEIM的空間分辨率因而會受機型及個別應用技術而有不同。最高的分辨率可以達到0.15nm，能清晰分辨晶體中的原子結構。

STEM的真空系統視『電子槍』種類而要求不同，主要的電子槍材料包括（1）鎢燈絲；（2）LaB₆硼化鑭；及（3）場發射電子槍三種。考慮燈絲材料的熔點、氣化壓力、機械強度及其他因素後，目前最便宜的材料為鎢絲。在特殊狀況下如要求更高亮度及應定性時，則使用場發射電子槍可獲得更佳之解析度，但真空度的要求也相對提高。通常STEM的電磁透鏡筒中要抽到10^-6torr的真空，以維持發射電子的燈絲壽命，也使電子的平均自由行程相當於鏡筒的長度。若使用場發射電子槍，真空度的要求需提高10^-10torr以上的真空。

STEM在材料分析上的應用，因為有完整的繞射與成像理論，因此電子顯微像中不單單能看到原子，提供直覺的証據，而且可以通過對電子顯微像和電子繞射花樣的計算分析，得到晶體結構鑑定等強而有力的結論。主要可應用於缺陷、夾雜微粒、晶粒邊界、人造的薄膜、細線等應用。無論用穿透樣品的高能電子成像或成繞射圖型，都只利用了圖3-22中的穿透和彈性散射的電子。STEM尚可搭配其他儀器設備，擷取其他的有用的訊號，包括：（l）X射線譜（圖3-26）：樣品的原子在高能量電子束的打擊下，會發出特性X射線，其波長（或能量）和原子的原子序數有關。因此，分析這種特性X射線，就能知道樣品的成分原子。（2）電子能量損失譜（EELS，如圖3-21所示）：將穿透試片而損失了部分能量的電子，用電子能量損失譜（electron energy loss spectroscop, EELS）探測，即可從光譜上也能得知樣品內原子成分。比X射線譜更進一步的是，EELS還能探知某種原子是元素狀態還是化合物狀態。

圖3-26 

電子顯微鏡的一大優點，在於有完整的繞射與成像理論。因此STEM電子顯微像中不單單能看到原子，提供直覺的証據，而且可以通過對電子顯微像和電子繞射圖型的計算分析，得到理論上可靠的結論。STEM兼具有SEM之功能，因此STEM也能用來檢測樣品的表面結構，並可搭配EDS或EELS作微區成份線掃描及Mapping的功能。在SEM儀器中，二次電子、背射電子等是SEM的主要探測訊號；但在STEM儀器中，STEM並不是偵測這兩種二次訊號，因此在STEM所得之影響會與SEM所得之影像不同。