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透射电镜下看到的原子像的物理意义是什么?

【王潜的回答(39票)】:

//......慢慢更行中//.....................

Preface:

先上图。然后谁和你说那是原子像的?怎么可以这么误人子弟呢!还有,不是说只有质厚称度和衍射称度,高分辨像是相位称度~

如果我没有理解错的话,楼主说的应该就是图中每个颗粒显示的高分辨晶格像。如果我没有理解错的话,楼主说的应该就是图中每个颗粒显示的高分辨晶格像。

再来一个分辨率更高的(我调了好久的objective lense啊!!!!)

注意,你所看到这些叫做高分辨像,不叫做原子像.注意,你所看到这些叫做高分辨像,不叫做原子像.

Part 1: 晶格像和相位称度

Ok, 我们一般用的TEM mode就是明暗场像,由于球差的作用很强,而且如果要形成真正意义上的原子像的话,色差,象散以至于慧差,在5个埃左右会严重减弱分辨率,所以通常的TEM是无法形成原子像的。

但是当放大倍数到达一定程度的时候,我们的图像会出现相位称度。所谓相位称度,就是电子波在经过样品的时候相位产生了调制,相位称度其实本质上是由衍射引起的,严格意义上,相位称度和衍射称度是一样的,所以在形成高分辨像的时候要避免用物镜光阑。

一般在TEM成像分析当中会采用所谓的双光速近似,一个是透射束,一个是衍射束。说实话,这个双光束近似是一个非常非常粗糙的近似,需要满足非常多的条件的时候才可能发生:(1)样品必须是一个比较完美的晶体,没有内应力。(2)入射角度需要非常精细的等于晶体某个晶面的布拉格角。我们知道,在TEM的电子衍射中,实际可以产生非常多的衍射斑,我们需要应用Ewald Sphere去分析衍射的。这种多衍射斑产生的原因是由于我们入射的电子束是一个近似的圆斑,当一个有形状的光源照到晶体上时,在倒易空间里,倒易空间的点的形状就是入射光束形状的傅里叶变换,这就导致倒易空间的点是一个有形状的斑,Ewald Sphere与这些斑相交的时候就都会产生衍射。

但是双光束近似的确可以告诉我们相位称度的来源。本质上就是衍射光和透射光产生了干涉,注意,在TEM里面,入射的电子是收到样品晶格周期势的调控的。基本的作用就表现为bloch wave,而bloch wave是一个对样品周期十分敏感的量,沿样品不同方向传播的电子波,就会感受到不同的周期势,从而当电子束从样品底端出来之后,不同点的透射波的相位是不一样的但是双光束近似的确可以告诉我们相位称度的来源。本质上就是衍射光和透射光产生了干涉,注意,在TEM里面,入射的电子是收到样品晶格周期势的调控的。基本的作用就表现为bloch wave,而bloch wave是一个对样品周期十分敏感的量,沿样品不同方向传播的电子波,就会感受到不同的周期势,从而当电子束从样品底端出来之后,不同点的透射波的相位是不一样的

在这种干涉的条件下,晶体的周期性性质就可以通过对电子波的相位的调制表现出来的,从而可以看到高分辨的晶格像。

Part 2: 质厚称度和 Z 称度

大多数情况下,我们所用TEM的称度就是质厚称度。直观上,质量大的东西,厚度厚的地方,阻碍电子的能力就比较强,从而形成称度。基于此,向原子方面想,原子序数大的,由于核外电子比较多,所以对入射电子的散射也会比较强,这个就是所谓的Z称度,STEM基于此就可以实现了单原子的成像,这个是真正的原子像,更本质的说,应该是原子的统计学成像,因为我们知道,真正的原子是不停的振动着的,STEM无法分辨晶格振动,所以成像所看到的是原子位置的期望值。早些时候,TEM 和STEM 是分开的,随着技术的发展,TEM和STEM也集成在了一起,尤其是Titan的出现,不管革新着人们对TEM的应用,最新的TEM,连用于观察低倍成像时用的荧光屏都省略了,直接用CCD在电脑上成像。

【 持续更新中。。。。。。。。。。欢迎关注】

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关于过焦和欠焦:

过焦就是成像在像平面下面,欠焦是成像在像平面上面。

关于如何调节高分辨像。。。我估计我在你身边可以给点建议,但是靠打字的话。。。就不行了

【lwliu的回答(5票)】:

基本原理楼上大神已经解释的非常清楚了,其实在透射电镜中,有两种成像模式,TEM和STEM,其中STEM(scanning transmission electron microscopy)的图像衬度与原子序数成平方正相关,简单的说就是越重的原子越亮,越轻的原子越暗,当你的电镜状态足够牛X,是完全可以通过每个点的强度差别来定量给出这些点的具体元素信息(已知材料信息,只为确定元素占位时)。这种情况下的像可以真正称为原子像。

羞耻的放一张实验图:

请原谅我没有放标尺,这是单层的MoSe2,每个六元环中三个更亮的是Se2原子对,稍暗的是Mo原子。

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