4D-STEM-in-SEM技术：将扫描电镜改造为粉末电子衍射仪的创新方法及其在纳米晶体分析中的应用

研究人员开发了一种名为4D-STEM/PNBD的创新方法，通过Python软件包STEMDIFF和EDIFF将扫描电镜(SEM)改造为粉末电子衍射仪，解决了传统TEM/SAED在SEM中无法进行晶体结构分析的难题。该方法成功应用于Au、GdF3 、Fe3 O4 等纳米晶体的相鉴定，其分辨率甚至优于传统TEM技术，为材料科学提供了更便捷的纳米尺度结构分析工具。

　　

在材料科学和纳米技术领域，精确分析纳米晶体的结构特征一直是研究人员面临的重大挑战。传统透射电镜(TEM)中的选区电子衍射(TEM/SAED)技术虽然成熟，但设备昂贵且操作复杂；而常规扫描电镜(SEM)又缺乏有效的晶体结构分析能力。这种技术鸿沟严重制约了纳米材料研究的效率，特别是对于需要快速鉴定晶体结构的应用场景。更棘手的是，现有方法难以处理具有高吸收性或弱衍射信号的样品，如包覆有机壳层的Fe₃
O₄
纳米团簇等特殊材料体系。

针对这些关键技术瓶颈，捷克科学院高分子化学研究所的Miroslav Slouf团队在《Microscopy and Microanalysis》发表了一项突破性研究。他们开发了名为4D-STEM/PNBD（粉末纳米束衍射）的创新方法，通过巧妙的数据处理算法，将普通SEM设备转变为用户友好的粉末电子衍射仪。这项技术的核心在于两个自主开发的Python软件包：STEMDIFF负责将海量4D-STEM数据集（典型尺寸>2,000个单独NBD图案）简化为单个2D粉末电子衍射图；EDIFF则进一步将其转化为1D径向平均衍射曲线，并与理论计算的X射线衍射(PXRD)图谱进行比对。令人振奋的是，该方法不仅适用于金纳米颗粒等强衍射样品，还能成功分析GdF₃
聚集体和Fe₃
O₄
@Cur-CS等具有高吸收性或低衍射功率的挑战性样品，其分辨率甚至超越了传统TEM/SAED技术。

研究团队采用了多项关键技术方法：使用配备Timepix像素化STEM检测器的Helios G4 HP SEM进行4D-STEM测量，工作电压30kV，电子探针电流12.5pA；开发了基于多参数过滤（香农熵S、衍射峰数量N和最大强度M）的STEMDIFF算法，结合PSF（点扩散函数）去卷积处理；通过EDIFF软件实现背景扣除和理论PXRD图谱比对；所有样本（Au纳米岛、GdF₃
/TbF₃
聚集体、Fe₃
O₄
纳米团簇）均在碳包铜TEM网格上制备，并与传统TEM/SAED结果进行系统对比验证。

研究结果部分呈现了丰富的发现：
在"完美样品：金纳米岛和纳米颗粒"章节中，AuNI样品展现出惊人的衍射能力，即使未经滤波和去卷积处理的原始数据求和也能产生清晰的衍射环。经过PSF去卷积处理后，4D-STEM/PNBD的分辨率甚至超过了传统TEM/SAED（比较图3e中红黑曲线）。

"中等样品：GdF₃
和TbF₃
纳米晶聚集体"部分显示，这些样品由于较高的吸收背景，需要滤波和去卷积双重处理才能获得清晰衍射图。有趣的是，实验衍射强度与理论PXRD存在差异，研究人员将其归因于正交晶系GdF₃
纳米片在碳膜上的择优取向（图4e）。

最具挑战性的"Fe₃
O₄
@Cur-CS纳米团簇"样品验证了方法的极限。虽然存在明显的白色十字去卷积伪影（图5i），但经过背景扣除后仍能获得可用于晶体识别的衍射曲线（图5j），展现了方法处理高背景、弱衍射样品的独特能力。

在讨论部分，作者系统比较了STEM-in-SEM与STEM-in-TEM的技术特点：前者虽然分辨率较低，但具有操作简单、成本低廉、兼容多种原位技术等优势；后者则能实现原子级分辨率但设备昂贵。特别值得关注的是，4D-STEM/PNBD在薄层二维材料（如石墨烯、MXenes）分析中展现出独特优势，这得益于更强的电子-样品相互作用和更低的样品损伤。

这项研究的意义不仅在于开发了创新的4D-STEM/PNBD方法，更开创性地证明了SEM设备进行高质量粉末电子衍射分析的可行性。通过STEMDIFF和EDIFF软件包的自动化处理，即使没有深厚晶体学背景的研究人员也能轻松完成纳米晶体的结构鉴定。随着Timepix3等新一代像素化探测器的应用，该方法有望进一步拓展至光束敏感材料和低浓度晶体样品的分析领域，为材料科学、纳米技术和生物医学研究提供强有力的表征工具。