电子显微镜技术的最新研究进展
近代显微成像技术的研究进展与应用
近代显微成像技术的研究进展与应用狄伶【摘要】The development of microscope imaging technology was introduced, and the imaging principle and application of fluorescence microscopy, confocal microscopy and super-resolution microscopy were outlined. The technology of stimulated emission depletion (STED) was clarified in the super-resolution microscopy. With the rapid development of computer technology and photo-electricity technology, a new generation of microscopy of living cells is developed, and cells tracking, real-time observation, 3D reconstruction, fluorescence quantification and four-dimensional dynamic analysis can be carried out at molecular and ion levels.%本文简述显微成像技术的发展历史,介绍荧光成像、共聚焦显微成像和超分辨显微成像技术的工作原理及应用.超分辨显微成像技术中主要介绍受激发射损耗技术.随着计算机技术和光电技术的飞速发展,新一代显微成像技术对活细胞微观生命活动实现了分子和离子水平的形态定位、实时动态观察、三维结构重组、荧光定量分析和四维动态分析.【期刊名称】《中国医疗设备》【年(卷),期】2018(033)002【总页数】4页(P107-110)【关键词】显微成像技术;共聚焦显微镜;受激发射损耗;超分辨显微成像技术【作者】狄伶【作者单位】上海交通大学分析测试中心,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TH74引言显微成像技术是一种借助物理方法观察微小物体的技术手段，它的发展与物理学领域对光的认识密不可分。
扫描电镜概述(1)
但二者也有明显的区别：EPMA以成分分析为主，主要使 用WDS，定性分析的灵敏度、定量分析的准确度都比较高，这 是由於它的电子束比一般的扫描电镜稳定得多的缘故。EPMA 的真空度可以达到10-7 torr，要比SEM的真空度高得多，因此电 子束也稳定得多。正由于波谱分析需要极稳定的电子束，所以， 这也是为什么一般的SEM 不配备波谱议的原因。 EPMA是较SEM 高端的产品。现在，成分定量分析要求较 高的材料科学、冶金、地质等领域一般都选配它。SEM即使配 备了WDS ，成分定量分析结果也不如EPMA，还无法代替 EPMA。EPMA缺点是成像特性、图像质量不如SEM，价格要 比SEM高得多（3～4倍），操作、维护要求高，使用范围要比 SEM小得多。
进入90年代，SEM和EDS与最新的计算机技术相结合，推出 数字化的SEM，所有操作简化为只使用计算机键盘和鼠标；图像 照片的显示使用高分辨率的显示器，取代了只有在黑暗房间才能 观察的阴极显像管；数字化的图像照片、图形和数据结果由计算 机采集, 去掉了照相机，免除了照片的冲印，大大提高照片的质 量。 与此同时，EDS的探测器也有很大进步，其窗口由Be改用超 薄有机高分子膜，除检测Na以后的重元素外，还能检测轻元素 Be、B、C、N、O、F。探测器的冷却，也有由原来的始终加液 氮方式变成用时加、不用时不加的方式。
2.2 SEM和EDS生产厂家
目前，进入中国市场的电镜厂家主要有：日本电子公司 JEOL、日立HITACHI。日本电子公司近几年推出的JSM6490LV， JSM6360LV高/低真空扫描电镜；FEI/PHILIPS公司的 QUANTE环境扫描电镜；日立公司 HITACHI的S3400N和岛津 公司的SSX-550扫描电镜，对非导体样品分析时，不用喷碳和溅 射金属，便可直接观察和进行能谱分析，实现了样品自然状态分 析的目标，保证了成份分析的准确性。这些扫描电镜都有大的样 品室，可对150～200MM直径的样品直接观察，使得样品在线分 析、原位分析成为可能。
冷冻电镜——精选推荐
冷冻电镜研究进展冷冻电⼦显微镜技术（cryoelectron microscopy）是从20世纪70年代提出的，经过近10年的努⼒，在80年代趋于成熟。
它的研究对象⾮常⼴泛，包括病毒、膜蛋⽩、肌丝、蛋⽩质核苷酸复合体、亚细胞器等等。
⼀⽅⾯，冷冻电⼦显微镜技术所研究的⽣物样品既可以是具有⼆维晶体结构的，也可以是⾮晶体的；⽽且对于样品的分⼦量没有限制。
因此，⼤⼤突破了X-射线晶体学只能研究三维晶体样品和核磁共振波谱学只能研究⼩分⼦量（⼩于100KDa）样品的限制。
另⼀⽅⾯，⽣物样品是通过快速冷冻的⽅法进⾏固定的，克服了因化学固定、染⾊、⾦属镀膜等过程对样品构象的影响，更加接近样品的⽣活状态。
21世纪初，冷冻电⼦显微镜都具备⾃动图像采集系统。
CCD(charged-couple device)照相机能快速、动态的记录电⼦衍射图，但由于像素的限制，其分辨率不如照相胶⽚。
CCD和照相胶⽚所记录的是⽣物样品空间结构的⼆维投影，利⽤各种计算机软件程序包，可以从电镜的⼆维图像重构样品的三维结构，即三维重构。
已开发出许多软件程序包可供计算机处理使⽤，⼤⼤⽅便了⽣物样品的结构重构。
[1]操作步骤样品准备⽤于冷冻电镜研究的⽣物⼤分⼦样品必须⾮常纯净。
⽣物样品是在⾼真空的条件下成像的，所以样品的制备既要能够保持本⾝的结构，⼜能抗脱⽔、电⼦辐射。
⼀种⽅法是通过快速冷冻使含⽔样品中的⽔处于玻璃态，也就是在亲⽔的⽀持膜上将含⽔样品包埋在⼀层较样品略⾼的薄冰内。
该⽅法有两个关键步骤：⼀是将样品在载⽹上形成⼀薄层⽔膜；⼆是将第⼀步获得的含⽔薄膜样品快速冷冻。
在多数情况下，⽤⼿⼯将载⽹迅速浸⼊液氮内可使⽔冷冻成为玻璃态。
其优点在于将样品保持在接近“⽣活”状态，不会因脱⽔⽽变形；减少辐射损伤；⽽且通过快速冷冻捕捉不同状态下的分⼦结构信息，了解分⼦功能循环中的构象变化。
另⼀种⽅法是通过喷雾冷冻装置（spray-freezing equipment），利⽤结合底物混合冰冻技术 (spray-freezing)，可以把两种溶液（如受体和配体）在极短的时间内混合起来 (ms量级)，然后快速冷冻，将其固定在某种反应中间状态，这样能对⽣物⼤分⼦在结合底物时或其他⽣化反应中的快速的结构变化进⾏测定，深⼊了解⽣物⼤分⼦的功能。
透射电镜差分相位分析技术磁畴研究
㊀第40卷㊀第11期2021年11月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.40㊀No.11Nov.2021收稿日期:2021-07-14㊀㊀修回日期:2021-09-28基金项目:国家自然科学基金资助项目(11804343)第一作者:汤㊀进,男,1989年生,副研究员通讯作者:杜海峰,男,1979年生,研究员,博士生导师,Email:duhf@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202107019透射电镜差分相位分析技术磁畴研究汤㊀进1,吴耀东1,2,熊奕敏1,田明亮1,杜海峰1(1.中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心极端条件凝聚态物理安徽省重点实验室,安徽合肥230031)(2.合肥师范学院物理与材料工程学院,安徽合肥230061)摘㊀要:透射电子显微镜具有高空间磁分辨率和易集成的多场调控等特点,成为当下纳米尺度下先进磁结构观测的主要手段之一㊂首先介绍和比较了透射电镜磁表征的3种模式:洛伦茨模式㊁电子全息模式和差分相位分析模式,然后详细综述了差分相位分析技术表征一类中心对称晶体Fe 3Sn 2材料中新型磁畴结构的研究进展㊂在该研究中,首先结合差分相位分析技术和三维微磁学模拟,阐释了中心对称材料中复杂 多拓扑态 磁畴起源于磁结构的三维特性,随后基于该材料温度诱导自旋重取向内禀物性,在Fe 3Sn 2受限纳米盘中,利用差分相位分析技术发现了一类全新的涡旋状磁结构 靶磁泡 ,研究了其磁场演化行为,最后提出了斯格明子-磁泡基存储器的概念,并实现了磁场和电流高度可控斯格明子-磁泡拓扑磁转变㊂差分相位分析技术揭示的中心对称磁性材料纳米结构中的新颖磁畴及丰富的电流驱动动力学,有望促进未来基于新型磁畴结构的拓扑相关自旋电子学器件的开发㊂关键词:透射电子显微镜;差分相位分析;磁畴;斯格明子-磁泡;中心对称磁体中图分类号:TH742㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2021)11-0851-10Magnetic Domain Imaging by Differential PhaseContrast Technique of Transmission Electronic MicroscopyTANG Jin 1,WU Yaodong 1,2,XIONG Yimin 1,TIAN Mingliang 1,DU Haifeng 1(1.Anhui Province Key Laboratory of Condensed Matter Physics at Extreme Conditions,High Magnetic Field Laboratory,Hefei Institutes of Physical Science,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China)(2.School of Physics and Materials Engineering,Hefei Normal University,Hefei 230061,China)Abstract :Transmission electronic microscopy (TEM)has become one of the most advanced techniques to observe nano-metric-sized magnetic domains,owing to its high spatial magnetic resolution and easy accessibility in integrating multiple physic fields.Here,we compared three techniques of TEM observing magnetic domains:Lorentz-TEM,electronic hologra-phy and differential phase contrast scanning TEM (DPC-STEM).Then we reviewed recent advances in magnetic domains imaging of a centrosymmetric magnet Fe 3Sn 2by DPC-STEM.We demonstrated physical clarifications to multiple topological states ,which are attributed to three-dimensional (3D)depth-modulated spin configurations,using DPC-STEM and 3D mi-cromagnetic simulations.We then reported a new class of vortex-like spin configurations named target bubble and their field-driven magnetic evolutions in Fe 3Sn 2nanodisks.Finally,we proposed a new strategy to design memory named Skyrmi-on-bubble-based memory,which utilizes Skyrmions and bubbles as binary bits 1 and 0 ,respectively.Current-field-controlled topological Skyrmion-bubble transformations have been also achieved.The novel magnetic domains and their in-triguing electronic-magnetic properties shed by DPC-STEM are expected to facilitate advances in developing topology-related spintronic devices.Key words :transmission electronic microscopy;differential phase contrast;magnetic domain;Skyrmion-bubble;cen-trosymmetric uniaxial magnet1㊀前㊀言磁性材料已经被广泛应用于现代生活中,具有很大的市场价值,其中一个典型代表是自旋电子学磁功能器件[1]㊂自旋电子学是将电子的两个内禀属性电荷和自旋博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷相结合的研究学科㊂以机械硬盘为代表的自旋电子学器件已经取得了较大的商业成功[2]㊂机械硬盘是利用磁化反平行排列的磁畴来表征双数据比特,通过读头的机械转动来实现读写㊂但是传统机械硬盘受到机械振动和热扰动的影响,其性能已趋于功能极限㊂为了突破功能极限,科学家们期望通过发现新型磁结构来构建新一代自旋电子学器件㊂磁斯格明子是新型磁结构的代表[3-5]㊂磁斯格明子是一类涡旋状新型磁结构,具有拓扑非平庸类粒子行为㊁可调的小尺寸和丰富的电磁相关动力学行为等特点[6]㊂磁斯格明子的关键稳定机制是材料体系中的Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用[7]㊂根据DM 相互作用类型,磁斯格明子主要分为3种:①具有体DM 相互作用的材料,如B 20型FeGe 和MnSi 材料中的布洛赫(Bloch)型磁斯格明子[3,4,8,9](图1a);②具有表面DM相互作用的材料,如铁磁/重金属异质结薄膜和C 3v 对称晶体GaV 4S 8中的奈尔(Néel)型磁斯格明子[10,11];③具有二维各向异性DM 相互作用的材料,如D 2d 晶体MnPdPtSn 中的反磁斯格明子[12]㊂此外,在传统中心对称单轴铁磁体中,偶极相互作用与单轴磁晶各向异性等的竞争也会产生出一类局域柱状畴磁结构 磁泡,其中类型I 磁泡的闭合畴壁贡献了与Bloch 型手性斯格明子相同的整数拓扑荷,因此其也被称为磁泡斯格明子(图1b)[13-22]㊂近年来,这些具有丰富磁学㊁电学性质的磁斯格明子可以作为信息载体,用来构建存储器㊁逻辑器件㊁神经网络器件和互联信息器件等[23-25],形成了一类新兴的自旋电子学亚类学科 拓扑自旋电子学[26-28]㊂图1㊀非中心对称螺磁体中布洛赫型磁斯格明子(a)[3,4,8,9];中心对称单轴铁磁体中的磁泡斯格明子(b)[13-22]Fig.1㊀Bloch-type Skyrmion in an noncentrosymmetric screw magnet (a)[3,4,8,9];Skyrmion bubble in a centrosymmetric uniaxialferromagnet (b)[13-22]拓扑自旋电子学研究领域关键的科学问题之一是磁斯格明子的电调控[23]㊂而未来自旋电子学器件高存储密度要求磁信息载体的尺寸为纳米尺度,因此需要探索纳米尺度下的磁斯格明子的相关性能,这要求磁表征技术的高空间分辨率㊂现代磁学的发展也得益于先进磁表征技术的发展㊂依据自旋与电流㊁电子㊁光等的相互作用,科学家们已经开发出了多种先进的磁表征技术[26],如表1所示[11,23,29-31]㊂其中,透射电镜不仅能够观测纳米尺度范围内的磁畴,也易于集成多物理场条件,对样品和外界环境要求相对较低[32]㊂因此,透射电镜成为了近年来高分辨率磁表征的重要技术手段,极大地推动了磁斯格明子相关的研究进展,例如磁斯格明子的首次实空间观测[4]㊁磁浮子的首次实空间观测[33]㊁反斯格明子的首次实空间观测等,都是利用透射电镜技术实现的[12]㊂本文将首先介绍基于透射电镜的3种基本磁表征手段,并随后着重综述透射电镜差分相位分析技术表征一类中心对称晶体中的新型磁畴结构的研究进展㊂表1㊀磁表征技术:洛伦茨透射电子显微镜㊁磁力显微镜㊁自旋极化扫描隧道显微镜㊁X 射线显微学㊁表面磁光克尔效应㊁X-射线磁圆二色仪-光发射电子显微镜[11,23,29-31]Table 1㊀Magnetic imaging techniques :Lorentz-transmission elec-tronic microscopy (Lorentz-TEM ),magnetic force mi-croscopy (MFM ),spin-polarized scanning tunneling mi-croscopy (spin-polarized STM ),X-ray holography (X-ray holography ),surfacemagneto-opticalKerreffect(SMOKE ),X-ray magnetic circular dichroism-photoe-mission electron microscopy (XMCD-PEEM )[11,23,29-31]Techniques ResolutionSpatial /nm Time Field /T Temperature/K Lorentz-TEM ~2ms -2~25~1300MFM~10s -16~162~400Spin-polarized STM~0.5s-9~9<10X-ray holography~20nsSMOKE~300ns -9~92~800XMCD-PEEM~25s02~3002㊀透射电镜磁表征技术透射电镜磁表征技术是基于电子在磁场运动过程中受到的洛伦茨力,因此磁表征的透射电镜也被称作洛伦茨透射电镜[4,32]㊂透射电镜电子束的传输方向为垂直于样品表面,由于电子的轨迹只受到与其运动方向垂直的磁场的影响,因此洛伦茨透射电镜只能表征面内磁矩㊂此外,透射模式也表明透射电镜探测到的是样品厚度方向积分的磁矩㊂依据电子受到洛伦茨力发生偏转的探测方式,透射电镜磁表征技术可以分成3种(图2):欠焦/过焦情况下的菲涅尔磁衬度,即传统洛伦茨技术[4];通过分辨样品和全息丝的干涉条纹宽度的变化来获得磁相位,即电子全息技术[34-37];扫描聚焦电子束通过样品后,4个分立探头探测的电子束强度的差异等价于磁相位衬度差分,即差分相位分析扫描透射电镜技术[13,15,16,38-40]㊂258博看网 . All Rights Reserved.㊀第11期汤㊀进等:透射电镜差分相位分析技术磁畴研究图2㊀透射电镜3种磁表征技术示意图:洛伦茨[4]㊁电子全息[34-37]和差分相位分析[13,15,16,38-40]Fig.2㊀Schematic designs of three magnetic imaging techniques of trans-mission electronic microscopy:Lorentz [4],electronic hologra-phy [34-37]and differential phase contrast scanning [13,15,16,38-40]根据不同透射电镜磁成像技术的特点,3种方式各具特色,但也存在着缺点㊂传统离焦下表征的洛伦茨模式是最早也是现在最流行的透射电镜磁成像表征方式[20],具有易于操作㊁比较直观反射磁结构和成像速度快等优点,但是这种方法也有以下缺点:①由于离焦状态下样品边缘具有菲涅尔强衍射,使得该方法不适用于太小受限结构的磁分辨[41];②作为一种间接获得磁相位的方法,传统输运强度分析(transport of intensity equation,TIE)技术解析磁结构的过程中可能会引入一些人为的磁信息,造成严重的偏差[42]㊂电子全息技术是一种正焦模式下直接表征磁相位的方法,能够非常准确和定量地解析磁结构[34-37],但是这种方法也有以下缺点:①电子全息模式观测到的是干涉条纹[34],不能直观反映磁结构,不适用于一些快速磁结构动力学响应的表征;②由于干涉所需的参考光束需要经过真空,因此电子全息只能表征靠近样品边缘的磁结构,有效观测尺寸大约为1μm [37]㊂差分相位分析扫描透射模式也是一种正焦状态下直接探测磁矩的方式(图3),具有磁成像精度高㊁范围广等优点,特别是能够精确表征样品缺陷处的磁结构信息[13,15,16,38-40],但是该方法也有以下缺点:①扫描聚焦模式成像较慢(数十秒以上),不适用于实时磁结构动力学表征;②扫描聚焦模式下会对样品造成损伤㊂从以上讨论可以得出,相比于传统洛伦茨模式,电子全息和差分相位分析都是更为精确的磁相位表征技术,但是电子全息只适用于一些小样品的表征,而差分相位分析技术并不受到样品尺寸的限制,可以表征任意尺寸磁样品的磁结构㊂本文将着重介绍差分相位分析方法在偶极磁斯格明子材料的新型磁结构表征中的近期科研进展㊂3㊀差分相位分析磁畴表征3.1㊀三维磁斯格明子与磁泡由于单轴磁晶各向异性㊁偶极-偶极相互作用㊁交换图3㊀差分相位分析方法分析磁畴的过程[13,15,16,38-40]:(a ~d)扫描透射模式下,4个分立的差分衬度探头A㊁B㊁C 和D 得到聚焦电子束穿过一个直径为1550nm 的Fe 3Sn 2纳米盘的衬度图像;(e)探头A 和C 的差分衬度,与样品中沿着y 轴的磁场强度成正比;(f)探头B 与D 的差分衬度,与样品中沿着x 轴的磁场强度成正比;(g)通过(A -C)2+(B -D)2计算出的整个面内磁场强度分布图;(h)最终重构的面内场强分布图Fig.3㊀Analysis procedure for determining the magnetic structure in a1550nm Fe 3Sn 2disc by using differential phase contrast scan-ning TEM [13,15,16,38-40]:(a ~d)differential phase contrastcomponent images from the four segments of the detectors A,B,C and D,respectively;(e)differential phase contrast compo-nent obtained by subtracting C from A (A -C),which is propor-tional to the field component along the y axis;(f)differential phase contrast component obtained by subtractingD from B (B -D),which is proportional to the field component along the x axis;(g )totalin-planefieldstrengthobtainedfrom(A -C)2+(B -D)2;(h)in-plane magnetization mapping相互作用和外磁场赛曼能的竞争,中心对称单轴磁性材料能够形成局域的柱状磁畴结构,该结构被称为磁泡(图1b)[20,43,44]㊂虽然磁泡在20世纪70~90年代得到了大量的研究,并构建了磁泡存储器等功能性器件[45],但由于该器件的大尺寸(微米尺度)不适用于紧凑的器件设计而逐渐被淘汰[43]㊂最近,新型涡旋局域磁结构斯格明子的发现也重新引起了研究人员对传统磁泡的广泛兴趣[21,22,31,42,46-54]㊂依据柱状磁畴的畴壁磁化分布,磁泡可分为类型I 拓扑非平庸磁泡和类型II 拓扑平庸磁泡[21]㊂其中具有闭合畴壁的类型I 磁泡具有与磁斯格明子相同的拓扑性,也被称为斯格明子磁泡[31,51-54]㊂特别地,最近的研究发现了直径小于50nm 的斯格明子磁泡和自旋转移力矩驱动磁泡动力学行为[17,31,54]㊂这些研究成果也预示着传统磁泡可以被用来构建新型高性能自旋电子学器件[18]㊂为简便表述,后文将中心对称晶体中的类型I 斯格明子磁泡和类型II 磁泡分别称为磁斯格明子和磁泡㊂358博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷虽然中心对称晶体中的磁斯格明子和磁泡结构已经得到了很好的理论解析[55],但在近期采用透射电镜研究磁泡材料磁畴工作中发现了复杂的 多拓扑态 磁结构[22,47]㊂这些复杂磁结构与传统磁斯格明子和磁泡结构有很大差异,同时一直没有得到很好的物理解释,限制了磁泡材料的未来应用性㊂分析可知,这些复杂 多拓扑态 磁结构均是通过透射电镜洛伦茨模式得到,且解析的磁结构被认为是二维的㊂传统洛伦茨模式表征磁结构是通过TIE 技术解析过焦㊁正焦和欠焦菲涅尔磁衬度得到的㊂而为了得到更清晰的磁结构,TIE 技术通常需要设定滤波参数来过滤噪音和非磁背景,但滤波也可能会得到偏离真实情况的磁结构[42];同时TIE 技术也不适用于解析传统均匀铁磁磁畴[14,16]㊂透射电镜技术得到的是沿着样品厚度方向的积分磁化分布,但以往的研究认为磁结构在厚度方向为磁化均匀的[22,47]㊂作者团队[16]采用透射电镜差分相位分析-扫描透射模式和三维微磁学计算模拟相结合的方式,系统地研究了Kagome 中心对称晶体材料Fe 3Sn 2中的复杂 多拓扑态 多环和Φ形-圆弧形磁涡旋结构,如图4所示㊂Fe 3Sn 2是一类室温单轴铁磁体[56-61],单轴磁化易轴在室温下沿着c 轴㊂同时,Fe 3Sn 2为低品质因子材料,即单轴磁晶各向异性K u 小于12μ0M 2s ,μ0和M s 分别为真空磁导率和饱和磁化率㊂通过三维微磁学计算模拟发现[62],对于低品质因子的Fe 3Sn 2薄片样品,强的偶极-偶极相互作用会导致磁斯格明子和磁泡沿着厚度方向发生连续自旋扭转,形成界面涡旋状磁结构㊂因此,上述模拟结果表明,Fe 3Sn 2纳米薄片样品的磁斯格明子和磁泡沿着厚度方向不是均匀磁化的(图4e 和4f),因此在透射电镜解析的磁结构中必须考虑厚度方向的积分磁化分布㊂同时,利用差分相位分析进一步得到了Fe 3Sn 2纳米薄片样品的多环状和圆弧形涡旋磁结构(图4a 和4b),发现其与传统洛伦茨模式解析磁结构有很大差异,但与三维微磁模拟的磁斯格明子和磁泡的积分磁化分布高度一致(图4c 和4d)㊂这些研究结果表明, 多拓扑态 起源于传统中心对称材料中的三维磁斯格明子和磁泡结构,磁结构的复杂性是由于非均匀三维磁结构投射到二维平面后的积分相加所导致的㊂3.2㊀靶磁泡的发现及其磁场驱动演化过程Fe 3Sn 2的磁晶各向异性具有强温度依赖性,单轴磁各向异性常数K u 随着温度降低而减小,因此易磁化方向会由高温时的c 轴转变到低温时的ab 易磁化面,即温度诱导自旋重取向[61]㊂本课题组[13]制备了不同尺寸受限Fe 3Sn 2纳米盘,利用差分相位分析研究了其零磁场下的图4㊀Fe 3Sn 2纳米结构中类型I 斯格明子磁泡和类型II 拓扑平庸磁泡的三维磁结构[16]:(a,b)差分相位分析方法得到的面内自旋分布;(c,d)三维微磁模拟得到的平均面内磁化分布;(e,f)三维微磁模拟得到的厚度调制磁结构Fig.4㊀3D spin texture of type-I Skyrmion bubble and type-II topologi-cally trivial bubble in the Fe 3Sn 2nanostructure [16]:(a,b)in-plane magnetization mappings of two types of bubbles obtainedfrom differential phase contrast technique;(c,d)average in-plane magnetization mappings of two types by 3D micromagnetic simulation;(e,f)depth-modulated 3D magnetic bubbles by 3Dmicromagnetic simulation磁畴演化行为,如图5所示㊂由于在传统洛伦茨模式离焦磁表征模式下,受限小尺寸样品边缘强的菲涅尔衍射条纹给磁结构解析带来极大的干扰,因此正焦模式下工作的差分相位分析技术更适用于精确研究受限体系下的磁畴结构㊂不同于在高温300K 的条纹畴磁基态(图5a),在低温100K 的易面磁化Fe 3Sn 2(001)纳米盘中,偶极-偶极相互作用会诱导面内磁矩沿着圆盘边缘排列,形成经典的软磁磁涡旋结构(图5b)㊂以软磁磁涡旋为种子磁结构,当升高温度到室温,易面磁纳米盘转变为垂直磁纳米盘,Fe 3Sn 2(001)纳米盘中会形成多环靶态磁结构,命名其为 靶磁泡 (图5c)㊂通过分析靶磁泡的中间层磁化分布,发现其自旋从中心到最外边缘旋转了π的整数(k )倍(图5d),因此中心对称晶体中的靶磁泡也可以被看作k π-磁斯格明子㊂这种自旋重取向导致的软磁磁涡旋到靶磁泡的转变可被微磁模拟重复出来(图5e ~5h)㊂458博看网 . All Rights Reserved.㊀第11期汤㊀进等:透射电镜差分相位分析技术磁畴研究图5㊀在Fe 3Sn 2纳米盘中通过在零磁场下加热到室温的方式,利用差分相位分析技术观测到的室温下的条纹畴到低温下的软磁磁涡旋到室温下的靶磁泡(k π-磁斯格明子)的转变[13]:(a)300K 室温条纹畴;(b)100K 磁涡旋;(c)300K 室温靶磁泡;(d)沿着图5c 中A 到B 位置连线相关面内磁化强度;(e)模拟的室温条纹畴;(f)模拟的100K 磁涡旋;(g)模拟的室温靶磁泡;(h)模拟的沿着图5g 中C 到D 位置连线相关面内磁化强度Fig.5㊀Transformation from a soft magnetic vortex at 100K to a target bubble (k π-Skyrmion)at 300K through zero-field warming in an Fe 3Sn 2nanodisk obtained by differential phase contrast [13]:(a)experimental stripes at 300K;(b)soft vortex at 100K;(c)target bubble at300K;(d)position dependent in-plane magnetization amplitude along the line A to B in Fig.5c;(e~g)simulated stripes with uniaxi-al magnetic anisotropy K u =53.0kJ /m 3,soft vortex with K u =2.3kJ /m 3and target bubbles with K u =53.0kJ /m 3;(h)simulated posi-tion dependent in-plane magnetization amplitude along the line C to D in Fig.5g㊀㊀k π-磁斯格明子的拓扑荷为0(k 为奇数)或1(k 为偶数)㊂前期研究表明,k π-磁斯格明子具有k 相关可调自旋波激发和多场调控磁性等特点,其中2π-磁斯格明子(也叫做类斯格明子Skyrmionium)被提出可以用来构建无垂直漂移赛道存储器和斯格明子互联器件等[63,64]㊂但k π-磁斯格明子的研究多为理论模拟研究,仅仅在极少数的磁系统中被观察到[65,66],k π-磁斯格明子(k >2)的实验发现尤其充满挑战㊂通过以软磁磁涡旋为种子磁结构以及调节Fe 3Sn 2(001)纳米盘的直径,得到了丰富的零磁场稳定的k π-磁斯格明子(k =2,3,4和5)㊂与手性磁体中零磁场下两种简并的k π-磁斯格明子相比较,理论上中心对称材料中的零磁场k π-磁斯格明子有2k +1种㊂此外,之前的理论研究也预言了磁场诱导的k π-磁斯格明子的新颖磁性[67-70],但相关的实验研究还很少㊂因此,本课题组[15]进一步利用差分相位分析研究了Fe 3Sn 2(001)纳米盘中的磁场演化行为,如图6所示㊂磁场驱动下,Fe 3Sn 2(001)纳米盘k π-磁斯格明子主要呈现出3个特点:①零磁场下的不规则形状转变为高磁场下的轴对称形状(图6a);②磁场诱导k 系数的减小;③k π-磁斯格明子直径随磁场增强而连续减小(图6b)㊂中心对称Fe 3Sn 2纳米盘中的k π-磁斯格明子具有室温和零磁场稳定性㊁丰富多重简并态以及利用外磁场和图6㊀Fe 3Sn 2纳米结构中采用差分相位分析技术观测到的磁场诱导的k π-磁斯格明子(靶磁泡)的磁演化行为[15]:(a)实验观测的高磁场下稳定的圆形k π-磁斯格明子;(b)k π-磁斯格明子的直径随着磁场强度的变化关系,图中正方形点㊁三角形点和圆形点分别代表4π㊁3π和2π磁斯格明子Fig.6㊀Field-driven magnetic evolutions of k π-Skyrmion in Fe 3Sn 2nan-odisks obtained by differential phase contrast [15]:(a)roundk π-Skyrmions stabilized at high fields;(b)field B dependent diameter of k π-Skyrmions,the square,triangle,and circle sym-bols in Fig.6b denote the parameter k with values of 4,3,and2,respectively558博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷纳米盘直径可实现可调k参数等特点,有望进一步被应用于新型磁电子学器件的设计中㊂3.3㊀可逆电流调控磁斯格明子-磁泡拓扑磁转换中心对称Fe3Sn2材料中有两种局域磁结构:磁斯格明子和磁泡㊂传统的磁斯格明子基存储器是将磁斯格明子和铁磁态看作数据比特的 1 和 0 [29]㊂但是由于热扰动和斯格明子间的相互作用[33,71],斯格明子的非定向运动会造成数据链的混乱㊂而为了抑制斯格明子的无序运动,需要在传统斯格明子基存储器中的每个数据比特位构建人工缺陷,这无疑会增加器件构建的成本㊂我们提出采用磁泡替代传统铁磁空隙当作数据比特 0 来构建磁斯格明子-磁泡存储器,如图7a~7d所示[18]㊂当磁场完全垂直于Fe3Sn2(001)纳米结构时,为了使偶极-偶极相互作用能最小化,柱状畴形成具有闭合磁畴的磁斯格明子稳定相㊂当磁场不是完全垂直于Fe3Sn2 (001)纳米结构而具有大的面内磁场时,为了使赛曼能最小化,柱状畴形成具有朝向面内磁场方向磁畴的磁泡稳定相㊂当磁场的倾斜角度适中时,磁斯格明子和磁泡是稳定共存,也是磁斯格明子-磁泡存储器实现的前提㊂在强受限Fe3Sn2(001)纳米条带中,通过施加一个5ʎ倾斜的磁场,成功实现了磁斯格明子-磁泡单链(图7e),这种磁斯格明子-磁泡单链被当作一串数据比特㊂图7㊀一种基于磁斯格明子和磁泡的存储器原型的提出[18]:(a)斯格明子-磁泡存储器概念设计图;(b)代表数据比特 1 的斯格明子磁结构;(c)用磁泡替代铁磁来代表数据比特 0 ;(d)磁泡的菲涅尔磁衬度;(e)Fe3Sn2纳米条带中实现的磁斯格明子-磁泡单链,可以用来代表磁斯格明子-磁泡存储器中的一串 11011000001 数据链Fig.7㊀Propose of a magnetic memory based on Skyrmions and bubbles[18]:(a)schematic design of Skyrmion-bubble-based magnetic memory;(b)a Skyrmion representing the data bit 1 ;(c)a bubble replacing ferromagnet to represent the data bit 0 ;(d)Fresnel contrast of the bubble;(e)experimental realization of a single Skyrmion-bubble chain to represent the data bit11011000001 in a Fe3Sn2nanostripe㊀㊀磁斯格明子和磁泡的拓扑荷分别为1和0,具有截然不同的拓扑相关物性,如斯格明子霍尔效应和拓扑霍尔效应[72-75]㊂可控的磁斯格明子和磁泡的产生及其相互转换能够促进拓扑相关的磁电子学器件的开发㊂依据磁斯格明子和磁泡的产生机制,通过倾转外磁场能够有效调控磁斯格明子和磁泡的产生和转换[21,50]㊂本课题组[19]研究了Fe3Sn2纳米盘中磁斯格明子和磁泡的稳定性以及他们之间磁场诱导的拓扑磁转换,发现磁盘中磁斯格明子和磁泡的数量不仅与纳米盘直径有关,还与磁场角度相关㊂当纳米盘直径减小到~540nm时,该受限结构中最多只能稳定一个磁斯格明子或磁泡㊂通过固定外磁场强度同时调节其相对于磁盘法向的角度,成功实现了单斯格明子-单磁泡间可控的拓扑磁转换,如图8所示㊂两类磁状态间的拓扑磁转变可以用于器件的写入和删除等功能,但磁场方法不兼容于当代和未来的电子学器件设计和应用,而电学调控磁斯格明子-磁泡的拓扑转变的研究仍有待发掘㊂因此,本课题组进一步探索了电流可控磁斯格明子-磁泡相互转变的可能性[17]㊂在Fe3Sn2(001)纳米薄片中,磁场小角度倾斜于薄片法向时,磁斯格明子和磁泡都是稳定的磁状态㊂当设置磁斯格明子晶格为初始磁状态,施加高密度纳秒电流脉冲后,会发生磁斯格明子到磁泡的转变;当设置磁斯格658博看网 . All Rights Reserved.㊀第11期汤㊀进等:透射电镜差分相位分析技术磁畴研究图8㊀Fe 3Sn 2纳米结构中磁场诱导的斯格明子-磁泡转换[19]:(a~e)洛伦茨模式观测的斯格明子-磁泡转换,(f ~j)对应的微磁模拟的斯格明子-磁泡转变,(k)斯格明子-磁泡转变过程中的拓扑数的变化,(l)斯格明子-磁泡转变过程中的总自由能密度随磁场角度的变化Fig.8㊀Field-induced topological Skyrmion-bubble transformations in Fe 3Sn 2nanodisks [19]:(a ~e)Skyrmion-bubble transformationsobtained by Lorentz-TEM,(f ~j)corresponding Skyrmion-bubble transformations obtained by micromagnetic simulation,(k)winding number as a function of tilted field angle,(l)total free energy density as a function of tilted field angle明子晶格为初始磁状态,施加低密度纳秒电流脉冲后,会发生磁泡到磁斯格明子的转变㊂重要的是,通过调控电流幅度,这种磁斯格明子-磁泡相互转变是完全可逆的,如图9所示[17]㊂利用微磁学计算模拟发现,电流可控磁斯格明子-磁泡相互转变可被归因于自旋转移力矩和焦耳热效应的综合作用㊂当施加高密度电流脉冲时,电流的焦耳热会导致样品升温而发生热退磁,而在两个电流脉冲的间隙,样品又会降温而发生磁恢复过程㊂在热退磁的过程中,样品的饱和磁场强度会降低,而外加磁场强度固定不变,因此会发生磁斯格明子到铁磁态的转变㊂由于磁场是倾斜于样品垂直方向的,因此铁磁态是具有一定面内分量的倾斜铁磁态,面内磁化分量平行于面内磁场分量㊂而在降温的磁化恢复过程中,由于磁泡的畴壁磁化是与倾斜磁化背景一致,因此磁泡更优先于磁斯格明子从倾斜磁化背景中产生㊂特别地,即使磁泡的总自由能能量高于磁斯格明子,这种磁斯格明子到倾斜铁磁到磁泡转变的过程也能够发生㊂而低密度脉冲电流诱导的磁泡到磁斯格明子的产生归因于自旋转移力矩效应㊂磁泡的能量要高于磁斯格明子,自旋转移力矩相当于一个外界激发,能够使高能亚稳磁泡产生变形而处于一个非稳定状态,从而能够越过能量势垒转变到低能磁斯格明子稳定态㊂此外,在Fe 3Sn 2(001)纳米薄片中,在较低外磁场下,磁泡会转变为条纹磁畴㊂之前的研究中已经能够实现电流控制条纹磁畴到磁斯格明子的转变,但其逆过程磁斯格明子到条纹磁畴的转变还比较少见[31,76-82]㊂通过高低纳秒脉冲电流切换,同样能够实现磁斯格明子-条纹磁畴的可逆和可重复的拓扑磁转换㊂4㊀结㊀语本文阐述了将差分相位分析技术应用到偶极磁斯格明子/磁泡材料Fe 3Sn 2中的新型磁结构观测和电驱动拓扑磁转变动力学研究中的进展,研究结果表明,差分相位技术推动了三维磁结构㊁靶磁泡/k π-磁斯格明子等新型磁结构的精确表征,澄清了中心对称晶体中复杂磁结构的起源,并为后续的新型磁结构相关自旋电子学的应用奠定了重要基础㊂本课题组也提出了磁斯格明子-磁泡存储器的概念设计,并在实验室实现了单链磁斯格明子-758博看网 . 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免疫学实验技术新进展
免疫学实验技术新进展免疫学作为生命科学的重要分支，一直以来都是医学和生物学研究的热点领域。
随着科学技术的不断发展，免疫学实验技术也在不断创新和完善，为免疫学研究和临床应用提供了更强大的工具和手段。
本文将介绍一些近年来免疫学实验技术的新进展。
一、单细胞免疫分析技术单细胞免疫分析技术是近年来免疫学领域的一项重大突破。
传统的免疫分析方法通常是对大量细胞群体进行平均化的测量，无法揭示单个细胞之间的异质性。
而单细胞免疫分析技术能够在单个细胞水平上对免疫细胞的表型、基因表达、蛋白质分泌等进行精确分析，为深入了解免疫系统的复杂性和多样性提供了有力的手段。
例如，单细胞 RNA 测序技术（scRNAseq）可以同时检测数千个单个细胞中的基因表达谱，帮助研究者发现新的免疫细胞亚群和细胞状态转换。
流式细胞术与单细胞分选技术的结合，可以对特定的免疫细胞进行分离和后续的深入分析。
此外，质谱流式细胞术（CyTOF）能够同时检测大量蛋白质标志物在单个细胞中的表达，提供了更全面的细胞免疫表型信息。
二、免疫组库分析技术免疫系统的多样性主要体现在 T 细胞受体（TCR）和 B 细胞受体（BCR）的基因重排上，形成了庞大的免疫组库。
免疫组库分析技术通过对 TCR 和 BCR 的基因序列进行测序和分析，可以了解免疫系统在不同生理和病理状态下的动态变化。
新一代测序技术（NGS）的应用使得大规模、高通量的免疫组库分析成为可能。
通过对 TCR 和 BCR 的可变区基因进行测序，可以评估免疫细胞的克隆多样性、克隆扩增情况以及抗原特异性等。
免疫组库分析在肿瘤免疫、自身免疫性疾病、感染性疾病等领域都具有重要的应用价值，有助于揭示免疫系统与疾病发生发展的关系，为疾病的诊断和治疗提供新的靶点和策略。
三、成像技术在免疫学中的应用成像技术在免疫学研究中的应用越来越广泛，为直观地观察免疫细胞在体内的分布、迁移和相互作用提供了重要手段。
共聚焦显微镜和双光子显微镜能够在细胞水平上实时观察免疫细胞与靶细胞之间的相互作用，以及细胞内的信号转导过程。
微生物学领域的新发现和研究成果
微生物学领域的新发现和研究成果微生物学是研究微生物的学科领域，而微生物包括细菌、真菌、病毒、古生菌等众多种类。
在最近几年中，微生物学的研究发展非常迅速。
科学家们不断地发现和研究各种新的微生物种类，探索它们在各个领域中的应用。
下面就让我们一起看看微生物学领域最新的一些研究成果和发现吧。
一、微生物群落的多样性微生物群落的多样性是微生物学最早研究的问题之一。
随着高通量测序技术的逐步普及，越来越多的研究发现，各种微生物群落的组成和功能十分复杂。
比如，肠道微生物群落是人体内最为复杂的微生物生态系统之一，它们与许多疾病，如肥胖症、糖尿病等有关。
近期的研究成果表明，肠道微生物群落在肯定程度上影响了宿主的行为。
比如，某些肠道细菌可以分泌反应性氮化物，这种化合物可以影响脑部神经传递物质的合成和释放。
这一发现引起了许多科学家的兴趣，他们希望通过研究肠道微生物群落的变化与宿主行为的变化之间的关系，探索肠道微生物群落对人类行为和心理的影响机制。
二、微生物的基因工程微生物的基因工程是微生物学领域最为活跃的研究方向之一。
它利用基因技术手段，从亲代微生物中提取目标基因，并将其插入到宿主微生物的基因组中。
通过这种方式，科学家们可以制造出各种新型微生物，例如，利用基因工程技术构建转基因微生物可以被用来生产各种生物制品。
例如，某些很难在自然环境中生长繁殖的微生物可以通过人工改造，让它们可以自动在大规模的容器中繁殖生长，从而制造出各种人们需要的生物制品。
同时，利用基因工程技术可以构建安全和高效的人体细胞表达系统，从而制造出大量的蛋白质、抗体等生物制品。
三、微生物与环境的关系微生物与环境的关系是微生物学领域最早被科学家所关注的问题之一。
在最近几年中，许多新型的微生物种类被发现，并研究了他们在天然环境中的分布状况、种群大小、及其生物地理学分布。
比如，深海微生物群落是被科学家们关注的一个热门研究方向。
目前，科学家们已经发现了许多生活在深海区域中的微生物种类，他们适应了极端的环境条件，并可以从海底中获取到一些重要的营养物质，如热液和热水中的矿物质，从而在海洋生态系统中发挥着重要的作用。
stem成像原理
stem成像原理STEM（扫描透射电子显微镜）是一种强大的电子显微镜技术，它可以通过透射电子分析样品的内部结构和成分。
STEM成像原理是基于透射电子的散射和传输过程。
本文将讨论STEM成像原理以及相关的参考内容。
STEM成像原理主要包括样品的透射过程、电子透镜系统、探测器系统和图像处理。
首先，透射过程是STEM成像的核心步骤。
透射电子束从透射电子源（例如热阴极或场发射电子枪）发出，经过束缚减速系统调节能量，然后通过一个很薄的样品。
在样品的透射过程中，电子束与样品中的原子、分子或晶格相互作用，产生散射。
其次，电子透镜系统用于调控和聚焦电子束。
电子束在经过电子透镜系统时会受到电子透镜的电磁场作用，从而改变其路径和聚焦效果。
电子透镜系统包括透镜孔径、透镜的磁场强度和定向等参数。
这些参数的调整可以优化STEM成像的分辨率和对比度。
第三，探测器系统用于检测透射电子束通过样品后的散射电子。
常见的探测器包括电子能量损失谱探测器（EELS）和散射电子能谱成像探测器（SE-ADT）。
EELS可以通过测量透射电子束通过样品后的能量损失，提供有关样品化学成分的信息。
SE-ADT则可以捕捉样品中散射电子的强度和角度信息，提供样品的拓扑和晶体学结构信息。
最后，图像处理是STEM成像的关键步骤。
通过将探测器信号转换成数字图像，并通过计算机软件进行处理和分析，STEM成像可以生成高分辨率的样品图像。
图像处理技术包括校正几何和像差，降噪和增强对比度。
图像处理还可以应用于样品的3D重建和元素分布的定量分析。
关于STEM成像原理的参考内容，下面是一些相关的书籍和期刊文章：1. 「Introduction to Scanning Transmission Electron Microscopy」(作者：S. J. Pennycook, P. D. Nellist)：这本书提供了关于STEM原理、技术和应用的详细介绍。
2. 「Scanning Transmission Electron Microscopy: Imaging and Analysis」 (作者：Stephen J. Pennycook, Peter D. Nellist)：这是一本综合性的教材，介绍了STEM成像和分析的基本原理和方法。
SEM扫描电子显微镜
扫描电镜一、了解扫描电镜的结构与原理二、把握扫描电镜的制样方式3、把握扫描电镜的大体操作4、了解扫描电镜图片的分析与描述方式一. 扫描电镜的原理与结构一、扫描电镜现状及其进展扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在1935年已经被提出来了，直到1956年才开始生产商品扫描电镜。
商品扫描电镜的分辨率从第一台的25nm 提高到此刻的，已经接近于透射电镜的分辨率，此刻大多数扫描电镜都能同X 射线波谱仪、X 射线能谱仪和自动图像分析仪等组合，使得它是一种对表面微观世界能够进行全面分析的多功能的电子光学仪器。
数十年来，扫描电镜已普遍地应用在材料学、冶金学、地矿学、生物学、医学和地质勘探，机械制造、生产工艺操纵、产品质量操纵等学科和领域中，增进了各有关学科的进展。
⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧镜电描扫境环热场场发射冷场场发射场发射扫描电镜扫描电镜 SEMSEM 场发射扫描电镜（FESEM ）该具有超高，能做各类样品形貌的二次象、电子象及处置。
具有高性能能谱仪，能同时进行表层的微区点线面的定性、半定量及定量，具有形貌、组分综合分析能力。
FESEM又分为冷场场发射扫描电子显微镜和热场场发射扫描电子显微镜，它们的共性是分辨率高。
热场发射扫描电镜的束流大且稳固，适合进行能谱分析，但保护本钱和要求高；冷场发射扫描电镜的束流小且不稳固，适合于做表面形貌观看，不适合能谱分析，相对而言保护本钱和要求要低一些。
环境扫描电镜，真空度20乇（可放水汽）环扫下可看二次电子像能谱分辨率130eV，元素B 以上，样品台控温±20℃。
（要紧用途）： 1.样品不需喷C或Au，可在自然状态下观看图像和元素分析。
2.可分析生物、非导电样品（背散射和二次电子像） 3.可分析液体样品 4.±20℃内的固液相变进程观看 5.分析结果可拍照、视频打印和直接存盘（全数字化）。
（环境扫描电镜的特点）一般扫描电镜的样品室和镜筒内均为高真空（约为10-6个大气压），只能查验导电导热或经导电处置的干燥固体样品。
现代显微镜技术发展状况调研作业
调研现代显微镜技术的发展状况，写成1500字左右的报告。
现代显微镜技术发展状况调研报告在结束了对显微镜这一章节的学习后，课下对现代显微镜技术的发展状况进行了调研，并形成了一份调研报告。
早在公元前1世纪，人们就已发现通过球形透明物体去观察微小物体时，可以使其放大成像。
后来逐渐对球形玻璃表面能使物体放大成像的规律有了认识。
显微镜最早发明于16世纪末，至今已有400多年历史。
在现代，显微镜已经广泛应用于生物、化学、物理、医学等各种领域的科研活动，是一种极为重要的仪器，对人类科学的进步作出了巨大的贡献。
随着现代光电子技术和计算机的高速发展，显微镜技术在工业、国防、科技均得到了广泛应用。
现代显微镜技术正在向多功能、多用途的方向发展。
光学显微镜多数情况是按用途来分类的，有荧光显微镜、倒置显微镜、相衬显微镜、暗视野显微镜、偏光显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、近场扫描光学显微镜等。
显微光学系统从最初的定性（光学显微镜、体视显微镜），经历了定量（图像分析及测量系统、显微镜分光光度计）、定位（显微细胞切割系统）再发展到现在的定时（激光共聚焦扫描系统）的变化过程。
近场扫描光学显微镜（SNOM）是上世纪80年代发展起来的分辨率超过衍射极限的新型光学显微镜。
在SNOM中，传统的光学透镜被细小的光学探针所代替，能在纳米尺度探测样品的光学信息，且纵向分辨率由于横向分辨率，能得到清晰的三维图像。
近年来在光学显微镜技术的重大进展是激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）的应用，它大大的提高了影像的反差和分辨力。
LSCM的图像是以电信号的形式记录下来的，利用共聚焦系统有效地排除了焦点以外的光信号干扰。
由于只使物镜焦面上的样品成像，所以可对样品进行“光切片”，并通过计算机样品影像进行三维重组。
它在研究和分析活细胞结构、分子、离子的实时动态变化过程，组织和细胞的光学连续切片和三维结构重建等方面，是传统的光学显微镜所不及的。
近几十年来，有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世。
TEM的应用
透射电子显微镜(TEM)分析技术在纺织化学与染整工程中的应用摘要：透射电子显微镜的分辨率为0.1~0.2nm，放大倍数高达为几万~百万倍，适用于观察超微结构，可以同时提供形貌、成分、结构信息，非常适宜于对纤维细微结构、织物整理效果等方面的研究。
文中主要针对TEM分析技术在纺织化学与染整工程领域中国内外的应用现状，围绕TEM观察纤维的微细结构、纳米颗粒在溶剂中的分散性能、改性纤维素的表征等方面进行了阐述。
此外，文章也对TEM在其他领域的最新应用和进展进行简单介绍。
关键词：透射电子显微镜纺织化学与染整应用1. TEM的原理电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，都是利用凸透镜的放大成像原理，将人眼不能分辨的微小物体放大到人眼能分辨的尺寸，其主要是增大近处微小物体对眼睛的张角（视角大的物体在视网膜上成像大）。
所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。
目前，主流的透射电镜镜筒是电子枪室和由6~8级成像透镜以及观察室等组成【1】。
阴丝在灯丝加热电流作用下发射电子束，该电子束在阳极加速高压的加速下向下高速运动，经过第一聚光镜和第二聚光镜的会聚作用使电子束聚焦在样品上，透过样品的电子束再经过物镜、第一中间镜、第二中间镜和投影镜四级放大后在荧光屏上成像。
即上一透镜（如物镜）的像就是下一透镜（如中间镜）成像时的物，也就是说，上一透镜的像平面就是下一透镜的物平面，这样才能保证经过连续放大的最终像是一个清晰的像[2]。
电镜总的放大倍数是这四级放大透镜各级放大倍数的乘机，因此透射电镜有着更高的放大范围（200~1000000倍）。
由于电子束在外部磁场或电场的作用下可以发生弯曲，形成类似于可见光通过玻璃时的折射现象，所以我们就可以利用这一物理效应制造出电子束的“透镜”，从而开发出电子显微镜。
而作为透射电子显微镜(TEM)其特点在于我们是利用透过样品的电子束来成像，这一点有别于扫描电子显微镜(SEM)【3】2. TEM分析技术在纺织化学与染整工程中的应用2.1透射电子显微镜研究聚丙烯睛纤维的微观结构和缺陷曾汉民等【4】用透射电子显微镜(TE M) 研究了湿纺法所制得的高度取向的PAN 纤维织态结构内部的细节特征及其缺陷。
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电子显微镜技术的最新研究进展电子显微镜（electron microscopy）是指利用电子束来观察和研
究物质结构的一种技术。
相比于传统的光学显微镜，电子显微镜
具有更高的分辨率和更好的深度信息，可以观察到更细小的结构
和更详细的形态，是材料科学、生命科学、物理学等领域重要的
研究工具之一。
随着技术的不断进步和应用的广泛拓展，电子显
微镜技术也在不断地发展和完善，下面将介绍一些电子显微镜技
术的最新研究进展。
一、高分辨率透射电子显微镜
高分辨率透射电子显微镜（high resolution transmission electron microscopy，HRTEM）是指分辨率高于传统透射电子显微镜的一
种电子显微镜技术。
HRTEM可以观察到物质结构的纳米级别细节，并且可以进行原子级别的成像，非常适用于材料科学领域的研究。
近年来，HRTEM在应用领域上也有了新的拓展，如可视化金属分子团簇的组装过程、研究生物大分子的内部结构等。
此外，HRTEM还可以与其他技术相结合，如如光散射、扫描透射电子显微镜等，实现更加细致的分析。
二、三维电子显微镜
三维电子显微镜（3D electron microscopy）是指在电子显微镜中利用一系列二维图像重建物体的三维结构的一种技术。
传统的透射电子显微镜只能获得物质的一个截面图像，无法揭示物体的全貌和三维结构。
而3D电子显微镜则可以通过自动拍摄不同角度的二维图像，并以此重建出物体的三维形态。
3D电子显微镜的应用领域非常广泛，如生物医药、材料科学、纳米科学等领域，尤其在生物医药研究领域，3D电子显微镜可以用来研究蛋白质复合物和病毒的结构、深入理解细胞的功能与构造等。
三、电子显微镜样品准备技术
电子显微镜的样品制备技术一直是制约电子显微镜技术应用广泛的一个瓶颈问题，因为样品要求高纯度、高质量、高稳定性等多种条件，一般需要进行复杂的前期处理工作。
随着电子显微镜技术的发展和不断的实际应用，对电子显微镜样品准备工作的研究也逐渐加强。
目前已经研发出了多种高效、低成本、低污染、易于控制的样品制备技术。
例如，可以利用电子束刻蚀技术制备纳米结构，利用碳纤维样品支架来进行热初级处理等等。
四、环形电子背散射衍射技术
环形电子背散射衍射技术（circular dark-field electron holography，CDFEH）是一种利用电子的"治疗"性质研究材料结构
的方法。
利用背反射电子衍射技术（back scattering diffraction, BSD）和环形双光子干涉技术（Circular Double Photon Interference，CDPI）将环形电子反射和环形电子透射背散射技术结合起来，可
以实现对材料结构的高分辨率成像。
与传统的电子衍射技术相比，CDFEH不仅具有相对较高的速度和精度，而且可以避免传统的电
子衍射技术中的缺陷和失真问题，因此被越来越广泛地应用于材
料科学领域。
总的来说，随着科技的不断推进和应用的不断拓展，电子显微
镜技术也在不断地完善和发展。
高分辨率透射电子显微镜、三维
电子显微镜、环形电子背散射衍射技术等新技术的引入，将推动
电子显微镜技术在材料科学、生命科学、物理学等领域的应用发展，对科学研究和工程技术的发展将起到重要的推动作用。