高分辨电镜
高分辨电镜
结构象
是晶体点阵沿入射束方向的投 影，在相位衬度传递函数第一 个零点范围内图像与实际晶体 结构原子排列有一一对应关系
6. 高分辩电镜在材料科学研究中的应用
Quasi-crystalline Al-Mn alloy showing five fold symmetry
0.61l dd nSin
对光学显微镜来说, l5000Å, dd 0.2mm. 对于电子显微镜:
l
1.226 (V0 0.978 106V02 )
dd
0.61l
对100keV 的电子, l 0.037Å, dd 0.023nm ! 但是电磁透镜是非常差劲的透镜，所以最好的分辩率为 0.1nm.
( x ) ( x, z )dz
t 0
p / lV - 交互作用常数（interaction constant） (x,z) 是沿 z方向的晶体投影势（projected potential） 应用薄相位近似，穿出试样下表面 的波函数应为： 0(x)=exp[-i(x)] 如果相位 变化很小 (Weak phase approximation), 那么有: exp[-i(x)]1+ i(x) 即, 在 (x) 和 0(x)之间存在线性关系, 而(x) 与晶体投影 势场直接相关。
f 2 / 2 CS 4 / 4
3.5.4 相位衬度传递函数（Phase contrast transfer function) 与光学相衬显微镜对比可知: l / 4 i.e f 2 / 2 CS 4 / 4
我们定义:
l 而 sin 叫作相位衬度传递函数(PCTF) (u )
2p 2p f 2 CS 4 ( ) l 2 4
透射电镜高分辨频域滤波优化
透射电镜高分辨频域滤波优化透射电镜高分辨频域滤波优化透射电镜高分辨频域滤波优化是一种常用的方法，用于提高透射电子显微镜（TEM）图像的分辨率。
在本文中，我们将逐步讨论如何进行这样的优化。
第一步是获取TEM图像。
首先，我们需要将待观察的样品放置在透射电镜中。
样品通常是非晶态或晶态的材料，它们会散射电子束。
这些散射的电子束将通过透射电子显微镜的透镜系统，最终形成图像。
第二步是进行图像的预处理。
在进行高分辨率滤波之前，通常需要对图像进行一些预处理操作，以去除噪音和伪影。
这可以通过应用空间域滤波器，如中值滤波器或高斯滤波器来实现。
接下来，我们将进入关键的步骤，即高分辨滤波。
高分辨率滤波是通过在频域中操作图像来实现的。
首先，我们需要进行傅里叶变换，将图像转换到频域。
这可以通过应用二维离散傅里叶变换（DFT）来实现。
DFT将图像从空间域转换到频域，并产生一个复数矩阵，其中每个元素表示不同频率的振幅和相位信息。
在频域中，我们可以应用滤波器来提高图像的分辨率。
常见的滤波器包括高通滤波器和带通滤波器。
高通滤波器有助于增强图像中的高频信息，从而提高图像的细节和分辨率。
带通滤波器允许通过特定的频率范围，从而保留所需的信息并滤除其他频率的干扰。
应用完滤波器后，我们需要进行反傅里叶变换，将图像从频域恢复到空间域。
这可以通过应用二维逆离散傅里叶变换（IDFT）来实现。
IDFT将频域的复数矩阵转换回空间域，并产生最终的滤波图像。
最后一步是对滤波图像进行后处理。
在高分辨滤波之后，我们可能需要对图像进行一些后处理，以进一步优化其质量。
这可能包括去噪、增强对比度或者应用其他图像增强技术。
总结起来，透射电镜高分辨频域滤波优化是一个多步骤的过程。
首先，我们需要获取原始TEM图像，并对其进行预处理。
接下来，我们将图像转换到频域，应用滤波器来提高图像的分辨率，并通过逆傅里叶变换将其恢复到空间域。
最后，我们可以对滤波图像进行后处理以进一步优化其质量。
高分辨透射电镜的原理
高分辨透射电镜的原理
高分辨透射电镜（High-ResolutionEmissionTomography,HRET）是一种高分辨率的显微成像技术，它以高分辨的电子探针（ElectronProbe）作为主要成像工具。
它可获得原子分辨率的三维图像。
与其他显微成像技术相比，HRET具有下列优点：
1.获得的图像比电子探针观察到的高一个数量级；
2.对样品无破坏性；
3.图像质量高，分辨率可达0.1纳米；
4.可获得样品表面精细结构和信息；
5.可观察样品表面或内部细微结构，且不受样品厚度限制；
6.扫描速度快，每秒可扫描数百张图片。
高分辨透射电镜的工作原理是：电子探针在透射电镜中通过电子束轰击样品时，被激发的电子或离子被偏转到样品表面的不同部位，并在这些部位产生新的电子或离子。
这些被偏转的电子或离子分别向各自相反的方向运动。
偏转后，原来被激发到样品表面的电子或离子又回到原来的位置。
这样，就可以通过扫描电镜记录下来。
—— 1 —1 —。
JEM-2100高分辨透射电子显微镜的使用注意事项
透射 电子显微镜简称透射电镜 ，是电子显微镜的一种 。透 射电镜是一种高分辨率 、高放大倍数的显微镜 ，能直接观察并 研究材料 的内部结构 、相组成 、分布以及晶体 中位错 、层错晶 界 、空位 等缺 陷 ，是研究材料微观组织最有 力的工具之一 。其 可进行形貌观察 、选区 电子衍射 以及能谱分析 ，广泛应用于物 理 、化学 、材料科学 、矿物学 、地质 、冶金等领域 。 Ｊ Ｅ Ｍ一 ２ １ ０ ０ 透射 电镜是 日本 电子株式会社生产的高分辨型电
空气压缩机是 电镜的重要组 成部分，空压机一般是将大 气 压缩成压强较大 的气体以推动电镜 内气体 阀门的运动 ，由于 大 气 中含有水分 ，故在压缩机底部会有 存水 ，当存水不能 及时排 放时就 会腐蚀仪 器 ，放 水周期可 根据不 同区域和季 节进行调 整 ，但 是最好每周放水一次 ，放水时要关 闭灯丝和高压 。另外 空压机的吸气过滤网要定期除尘。
路 板 上 从 而 烧 毁 电路板 。开 机 前 一 般 先查 看循 环 水 屋 的 空 调 是
否正常工作 ，循环水的温度是否正常。循 环水最好是三次水 ， 循环水的水面要 高于水漂低于 出水 口，因此隔几个月需查看循
环 水 是 否 减 少 以 及是 否干 净 ，水 减 少 时及 时添 加 ，若 循 环 水 脏 应 及时 更 换循 环水 ，宜 半 年到 一年 更换 一 次 。 ３ 空气 压缩 机 的要 求
镜 ，此 电镜 的 点分 辨 率 为０ ． １ ９ ４ ａ ｍ， 晶格 分 辨 率 为 ０ ． １ ４ ｎ ｍ，最 大 放 大 倍 数为 １ ５ ０ 万 倍 ，是 非 常 贵重 和 精 密 的设 备 ，因此 正 确使
中南大学-透射电镜-高分辨显微术
对主要由轻元素组成的薄晶体，展开上式，略 去高次项，可得:
（7）
按照弱相位体近似，试样下表面处的透射电子波与试样沿 电子束方向的晶体电势投影分布成线性关系。如果在以后的成 像过程中，物镜是一个理想无像差透镜，则它可以将A（x，y） 还原成真实反映晶体结构的像面波。然而实际情况不是这样， 物镜存在像差.这就要考虑像差对A(x,y)的调制。下面讨论这种调 制和其它因素对成像过程的影响。
A(x)可以分解为一系列频率函数G1(υ)G2(υ)G3(υ)G4(υ)---
逆过程，一些列频率函数G1(υ)G2(υ)G3(υ)G4(υ)—可以合成 出原函数A(x)
推而广之，两个函数只要他们的自变量之间存在某种可以 表述的函数关系，例如倒空间和正空间之间的关系，都可 写成：
• ②物镜的成像过程 • 具体到电镜上的成像过程，可用下图 示意表示。物镜对试样下表面的物面波 A(x，y)进行富里叶变换，得到后焦面上 的衍射波函数（衍射谱）G（h，k），记 作：
Si4N4与SiC晶界的高 分辨TEM像在电子束 具有良好相干性条件 下拍摄的晶界高分辨 结构像。 箭头所指区域为孪 晶.A为晶界
1 原理概述
高分辨电子显徽术是一种基于相位衬度成像机制的成像技术。 （1）透射函数 相位相同的入射电子束受晶体势场的调制，在试样下表面各点， 形成了携带结构信息的振幅和相位均不同的电子波场。在加速电压 E下，运动电子的波长，由下式表示:
引入附加相位位移的最常用方法是利用物镜的球 差和散焦
左图是球差产生相位位移示意图。 从靠近物镜前焦面A点，与光轴成 倾角离开试样下表面的电子束， 经物镜作用后本应交物镜后焦面 于C点，但由于物镜球差的缘故， 使其偏离原路径角，交后焦面于D 点。C、D两点相距为dR。这样， 由于路径的改变，出现了光程差
超高分辨率电子显微镜技术的研究前沿
超高分辨率电子显微镜技术的研究前沿超高分辨率电子显微镜技术是当今材料科学和生物医学研究领域中最受欢迎的分析方法之一。
该技术的原理是通过使用高能电子束来探测样本结构的微观特征。
近年来，随着电子显微镜技术的不断发展，超高分辨率电子显微镜技术的研究前沿也逐渐展现出来。
1. 透射电子显微镜技术（TEM）的发展透射电子显微镜是一种能够在原子尺度下探测三维宏观结构的重要工具。
这种技术最早于1930年代被发明，近年来随着电子束的能量、空间分辨率和信噪比的提高，透射电子显微镜技术的研究取得了很大的进展。
最近，科学家们利用透射电子显微镜技术研究了金属纳米颗粒的结构和动力学。
他们发现，通过在纳米颗粒中引入杂质，可以显着增强金属纳米颗粒的催化活性。
此外，透射电子显微镜技术还被广泛应用于生物医学领域，如分析细胞膜蛋白结构的变化以及病毒与细胞相互作用的研究。
随着技术的进步，电子显微镜早已不只是研究小分子和物质的工具，而是在许多领域成为研究的重要手段。
2. 原子力显微镜（AFM）的进展原子力显微镜是一种可以在原子尺度下观察到样品表面形貌和表面力学性质的仪器。
随着技术的成熟，原子力显微镜已经成为研究新型材料的重要工具之一。
例如，人们利用原子力显微镜研究了具有重大科学应用价值的二维纳米材料，例如石墨烯。
通过使用原子力显微镜技术，他们成功地观察到了单层石墨烯的原子结构，同时还研究了石墨烯的电传输特性。
此外，原子力显微镜还被广泛应用于生物医学研究中，例如研究蛋白质和DNA的结构。
3. 光电子能谱显微镜（PEEM）的应用光电子能谱显微镜是一种可见光或紫外线光照射样品后，测量样品电子发射能谱图的仪器。
这种技术最初被广泛用于材料科学和表面化学领域，但是随着技术的发展，它已经逐渐应用于生物体系与材料界面的研究中。
PEEM技术被广泛应用于生物体系研究，例如研究细胞膜蛋白和生物分子的表面电荷分布，以及在细胞内探测特定物质的空间分布和组织学变化。
电子显微镜高分辨率成像原理解析
电子显微镜高分辨率成像原理解析电子显微镜是一种利用电子束代替光束进行成像的高分辨率显微镜。
相比传统光学显微镜，电子显微镜具有更高的分辨率和更强的穿透能力，因此在物理学、材料科学、生物学等领域具有广泛的应用。
本文将解析电子显微镜的高分辨率成像原理。
电子显微镜的高分辨率成像原理基于电子波的性质。
与光波相比，电子波有更短的波长，因此可以提供更高的分辨率。
电子显微镜中使用的是加速的电子束，其波长约为0.004 nm，远远小于可见光的波长（约为500 nm）。
由于波长的差异，电子波在物质中传播时与光波有明显不同的相互作用。
在电子显微镜中，电子束首先通过电子枪发射出来。
电子枪由一个热阴极和一系列电场构成，使电子获得高速和定向。
然后，电子束经过一系列电磁透镜进行聚焦，以提高成像的分辨率。
透镜的聚焦原理与光学显微镜中的透镜类似，但是由于电磁透镜对电子束的作用是基于电磁力而不是折射，因此可以实现更高的分辨率。
在样品前面放置一个光学透镜或者一个透明的薄膜，这样可以让电子束在穿过样品之前先经过一次散射。
散射过程会产生一个衍射斑，其中包含了有关样品的信息。
这个衍射斑被成像系统接收，并通过数学逆变换（如傅里叶变换）来还原成样品的图像。
为了获得高分辨率的成像，电子显微镜通常使用透射电子显微镜（TEM）。
在TEM中，电子束穿过非常薄的样品，然后通过光学透镜进行成像。
这种设计可以减少样品与电子束之间的相互作用，提高成像的分辨率。
另一种常用的电子显微镜是扫描电子显微镜（SEM）。
在SEM中，电子束通过针尖和样品之间的空间，而不是穿过样品。
电子束扫描样品表面，并通过扫描电子显微镜的探测器接收反射、透射、散射的电子，然后将这些信号转化为图像。
SEM通常用于观察样品表面的形貌和细微结构。
除了分辨率，电子显微镜的成像质量还取决于样品的制备和环境条件。
样品的制备通常涉及将样品切割成非常薄的切片，并在真空或低压环境中进行观察，以避免电子束与空气分子相互作用。
TEM-10
2 其中： [ (r )] ＝ －4 (r) 电荷密度函数
I (r) ＝ 1＋2f (r) 即： I(r)与ρ(r)成线形关系 ρ(r)与原子的周期势场有关，这样就建立了物与像的一一对应关系。
3)赝弱相位物体相互理论(考虑厚度对衬度的影响)
四、高分辨电镜的试验技术
HR
NBD
5 K/ min
E (412 C)
250
300
350
400
450
500
Temperature (C)
000
130
220
1-10
incommensurate
[002] Zr2Ni (T)
FT
IFT
The HR images and NBD of QCs with 2f, 3f and 5f symmetries HR HR HR
1、高分辨电镜的技术要求
照明光源有足够的亮度，采用LaB6灯丝， V,I稳定
放大倍数足够大，一般 M>50~100 万倍
2、试验技术
合轴：电子束与所以透镜的光轴精确重合
薄区：寻找理想薄区，一般, 100 KV， 1000 KV， t<10nm t<50nm
寻找合适的晶带轴，使其与光轴严格重合。
Chapter 7 高分辨电镜及 高分辨衍衬像原理
一、高分辨电镜与普通电镜的区别
高分辨电镜
分辨率高 ∆r≈2Å 放大倍数M=50~ 100万倍 多束成像(至少一透 射束+一衍射束)
球差 相位衬度 散焦 欠焦 转化 振幅衬度
普通电镜
∆r=1nm M=20~30万倍
明(透射束)
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吾将上下而求索
高分辨电子显微学
图像记录的信息
• 像平面上的电子波函数为复数， 由相位因子和振幅因子共同表达 • 通常图像记录方法只记录波函数强度，即电子波函数绝对
• 阿贝成像原理是重要的物理基础，衍射波合成的 数学处理采用傅里叶变换
高分辨电镜图像通常不是原子像的直接反映，而是 反映了物质空间（晶体）结构的信息
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高分辨电子显微学
amplitude
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高分辨电子显微学
Phase
相位的重要性
??
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高分辨电子显微学
高分辨电镜图像中的衬度原理
• 相位衬度 Phase contrast
1OO23
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吾将上下而求索
高分辨电子物显微平学 面
G O -G
后焦面
I3
I2 I1 成像面
透镜成像过程的数学描写——线性成像系统
• 样品出射波:
• 每个子波单独传播，分别受到传递函数的调制
• 整个图像是所有这些分波叠加的结果
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在超薄样品中，图像记录了样品射出波相位在空间的变化， 反映出样品中原子的势能分布
• 振幅衬度 Amplitude contrast
在生物负染样品或者厚样品中，图像记录了样品射出波的振幅在空间 的变化
• 衍射衬度
对于晶体材料，图像记录了样品的衍射波在空间的变化
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高分辨电子显微学
高分辨成像过程描述——小结
传递函数
T(kxy)
使每个子波的相位都被改变，产生不同大小的附加位相角
像平面上的物波
样
高频
品
射
低频
出
波
高频
样品波函数 样品出射波
高频 低频 高频
输出波函数
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高分辨电子显微学
高分辨成像过程描述——小结
• 样品射出波包含样品信息对电子波的调制 • 成像的目的是在观察面上尽量复原样品的信息 • 波在成像系统中的传播是样品信息传递的过程，成像系统可
以用信息传递函数描写 • 理想传递系统的物与像成比例，即样品出射波与图像波函数
为T(K)＝1，实际成像系统图像将发生非比例变化 • 电镜成像可以用阿贝成像原理描述 图像射出波可以分解为不同空间频率的子波。各个子波在成像
未结晶的区 域没有晶格 像
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高分辨电子显微学
本讲要回答的问题
• 如何诠释高分辨图像？图像中显示的条纹或者亮暗 分布是否就对应原子排列？
• 高分辨电镜的衬度原理是什么？ • 电镜的像差和操作条件如何影响图像？
质厚衬度：由于样品质量厚度不同造成透射束的差异，生物
吾将上下而求索
高分辨电子显微学
本讲要回答的问题——答案
• 如何诠释高分辨电镜图像？图像中显示的条 纹或者亮暗分布是否就对应原子排列？
• 高分辨电镜的衬度原理是什么？ • 电镜的像差和操作条件如何影响图像？
质厚衬度：由于样品质量厚度不同造成透射束的差异，生物
样品和粉末颗粒中纳米管，常见。
衍射衬度：晶体样品不同区域满足衍射布拉格条件不同而
由于波的相干叠加而在空间 形成的固定强度的周期性 分布——干涉
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晶格条纹像的形成过程
Moiré像: 不同周期和取向的
条纹交叠
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高分辨电子显微学
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附录1——相干成像理论物理基础
• 波动光学和相干波源 简谐波： • 波动现象的描述 • 波的叠加和干涉 • 相干叠加 ：若同频率、
同方向振荡且具有恒定 初始相位的两个简谐波 叠加，其合成波也是简 谐波，其振幅为：
1）样品出射波可以分解为不同空间频率的子波，各个子波在
成像系统中独立传播。
空间频率对应不同角度的 散射波
kxy＝kx＋ky kxy kxy
O 1OO23
物平面
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高分辨电子显微学
G O -G
后焦面
I3
I2 I1 成像面
阿贝成像原理
样品和粉末颗粒中纳米管，常见。
衍射衬度：晶体样品不同区域满足衍射布拉格条件不同而得
到不同振幅强度。
相位衬度：相干电子束干涉成像，多见高分辨图像
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吾将上下而源 入射电子波
样品
物镜 后焦面 像平面
样品出射 波函数
后焦面
I3
I2 I1 成像面
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衍射波合成的数学处理——傅里叶变换
• 任意形式的周期函数可以用 一系列正旋和余旋函数展开
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高分辨电子显微学
2）图像由透镜调制后的各个子
波合成得到
3）图像质量取决于收集到的子 波数目和透镜对各子波传递质 量
由于高角度散射穿过电磁透镜时
存在很大相差，因此我们希望
收集低角度子波。但是：
O
如果只收集低角度的电子束成像 必然造成样品信息丢失
1OO23
高角度（高频率）上的电子衍射 束影响着图像的质量；
物平面
G O -G
得到不同振幅强度。
相位衬度：相干电子束干涉成像，多见高分辨图像
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高分辨电子显微学
本讲小结
• 高分辨电子显微分析是材料研究的有效手段，可 以获得原子尺度的信息（晶界、位错、表面）；
• 高分辨电镜的衬度原理：相干电子束干涉得到相 位衬度像；
值的平方（Intensity)
• 由于透镜成像后，相位信息和振幅信息相互纠缠
电子探测器只能探测电子波的能量（振幅），故波的相 位信息无法记录，但往往相位信息包含了许多有用的 信息
相位的变化（随空间频率）无法线性地在像面被记录
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高分辨电子显微学
kout
kxy
kjn
阿贝成像原理
• Image and exit wave can be decomposed in terms of periodic wavelets of different spatial frequency. Image system transfers each individual spatial frequency components.
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高分辨电子显微学
高分辨电镜的应用-晶界
无需知道晶体结 构时，晶格像 可以轻松显示 晶界位置，晶 粒大小
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高分辨电子显微学
高分辨电镜的应用-相界
• 晶格像可以轻松显示相界位置，结晶状态
衍射波合成的数学处理——傅里叶变换
• 若定义 • 求＝和F(k变),成我了们对得k到的了积任分意，函A由数分的离傅变氏量变A换n 和变反成傅连氏续变变换量A(k)
– F(X) 和 f’(x) 常被称为傅氏转换对函数
• 傅氏变化的物理意义是，eikx是波失为k的简谐波，f(k)为其 在波函数F(x)展开中的权重，也是波的振幅。
高分辨电镜
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
2020年4月9日星期四
参考书
• 讲义 • 材料评价的高分辨电子显微方法，近藤大辅，1998
• D.Shindo, K. Hiraga, High Resolution Microscopy for Materials Science, Springer, 1998,戎永华,分析 电子显微学导论，高等教育出版社，2006，7-040199042-4
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吾将上下而求索
高分辨电子显微学
理想透镜成像过程的数学描写
• 样品出射波: • 第一次傅里叶变换，样品出射波的衍射迭加，得到衍射束
• 透镜作用：将衍射电子束会聚在透镜后焦面上 • 第二次反傅里叶变换，衍射束子波合成得到图像
O
线性函数线性成像系统
• 样品对入射电子波的调制，导致样品出射波函数中携带了样品 原子排列信息（本部分在电子衍射物理中讨论）
• 样品出射波经过物镜系统传递到像平面上，得到高分辨电子显 微像（即样品出射波函数经过传递函数处理后得到像函数）