掃描透射電子顯微鏡高角環(huán)形暗場像通常被認(rèn)為是樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的線性投影,被廣泛地應(yīng)用于傾轉(zhuǎn)系列三維重構(gòu)之中。但是,在像差校正電鏡中,當(dāng)電子束的橫向分辨率提升到亞埃尺度時,其縱向景深也將縮小至納米尺度。當(dāng)景深小于樣品的厚度時,高角環(huán)形暗場像將從樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的線性投影轉(zhuǎn)變?yōu)闃悠穬?nèi)某一深度的光學(xué)層析。本論文通過理論模擬,研究了納米尺度景深下原子分辨率三維重構(gòu)的可行性。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)景深小于樣品厚度時,三維重構(gòu)技術(shù)只能正確重構(gòu)樣品中的局部區(qū)域。該區(qū)域的大小與入射電子束景深呈正相關(guān),位置與入射束的欠焦量有關(guān)。另外,研究還發(fā)現(xiàn)實際正確重構(gòu)的區(qū)域相對于電子束名義聚焦位置偏上,即存在提前聚焦現(xiàn)象,其偏離程度與樣品內(nèi)原子的原子序數(shù)、會聚角以及加速電壓有關(guān)。當(dāng)原子序數(shù)越大或會聚角越大時,其與名義聚焦位置偏離越大。 

【文章來源】：電子顯微學(xué)報. 2020,39(05)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

用于圖像模擬的三維模型。

尺寸為10 nm×10 nm×2.4 nm的鋁原子模型的重構(gòu)結(jié)果,電子束斑分別被聚焦到深度為:a. 1/4樣品厚度;

圖3是將會聚半角為50 mrad,加速電壓為200 kV(此時的景深為1～3.5 nm)的電子束會聚至尺寸分別為10 nm×10 nm×2.4 nm,5 nm×5 nm×2.4 nm和2.4 nm×2.4 nm×2.4 nm的鋁內(nèi)1/2深度時的重構(gòu)結(jié)果。在圖3(a～c)中,紅色正方形虛線框?qū)?yīng)的邊長為2.4 nm,黃色正方形虛線框?qū)?yīng)的邊長為5 nm。通過對比可以明顯地看出,盡管模型大小不同,在相同的成像條件下,被正確重構(gòu)出原子位置的區(qū)域的尺寸,在三種情況下均接近2.4 nm。對上述重構(gòu)結(jié)果的解釋如圖4所示。圖4a描述了STEM圖像的形成過程,當(dāng)電子束斑(即橫向分辨率和縱向景深)小于樣品厚度時,其在樣品中的實際影響范圍有限,只能攜帶樣品的局部結(jié)構(gòu)信息,最終形成的掃描圖像,僅具有樣品中某一深度范圍內(nèi)(橙色矩形框所示)的結(jié)構(gòu)信息,即形成光學(xué)層析。該成像模式下產(chǎn)生的傾轉(zhuǎn)系列像,在三維重構(gòu)的過程,其中包含的樣品信息將以如圖4b所示的模式被用于重構(gòu)。正確的三維重構(gòu),需要將每一個傾轉(zhuǎn)角下的圖像所攜帶的樣品的結(jié)構(gòu)信息,通過反拉登變換,正確地恢復(fù)到對應(yīng)位置。但按照圖4b中的信息恢復(fù)方式,樣品的信息并不能被完全正確地恢復(fù)至正確位置,信息恢復(fù)率如圖4c所示。圖4d是該模式下的某一模擬重構(gòu)圖像,對比圖4c和圖4d可知,信息恢復(fù)率高的位置,原子可以被正確地重構(gòu)出來。在圖4c中,信息恢復(fù)率最高是55%,這說明該位置的重構(gòu)結(jié)果,在180°全角度傾轉(zhuǎn)的重構(gòu)條件下,其實際有效信息僅有-50°～50°,存在嚴(yán)重的缺失錐現(xiàn)象,只是當(dāng)重構(gòu)的對象原子的形狀為小圓點時,缺失錐效應(yīng)不嚴(yán)重。進(jìn)一步容易知道,信息恢復(fù)率和入射電子束聚焦點與傾轉(zhuǎn)軸之間的相對位置具有直接關(guān)系。當(dāng)電子束聚焦點與傾轉(zhuǎn)軸重合時,如圖2b,圖3(a～c)中的情形,其重構(gòu)時的信息覆蓋率最高,中心可達(dá)100%。當(dāng)電子束聚焦點遠(yuǎn)離傾轉(zhuǎn)軸時,重構(gòu)的質(zhì)量會變差。另外可知,正確重構(gòu)的區(qū)域根據(jù)電子束聚焦的深度變化,且該區(qū)域的尺寸直接決定于電子束的景深。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]一種基于改進(jìn)的多層法和GPU加速的透射電鏡圖像模擬算法和程序[J]. 明文全,陳江華,牛鳳姣,沈若涵,何玉濤,陳志逵.  電子顯微學(xué)報. 2018(05)



本文編號：3111310