玩电镜的都在玩衍射,就像玩单反的都在玩镜头一个道理

作者：埃辛诺斯
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来源：知乎
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我们必须要先讨论衍射, 即使这玩意你觉得很抽象. 透射电镜成像和衍射条件息息相关, 典型的衍射就是很多有序排列的亮点, 如下图的六芒星. 具体衍射成因过于基(ku)础(zao)就不在此讨论了, 你只要知道中间最大的亮圆是直射束, 周围小点都是衍射束就OK. 可不能小看这些点, 每个透射电镜照片其实都是这些点的傅里叶变换, 不管你分辨率牛逼到了什么程度. 很多老手看不惯拿起电镜就拍图的人, 不看衍射的电镜工作就像拿起大几万的单反用人像模式拍照.

什么是衍射条件? 当你用光照一个棱镜, 只要不是很刁钻的角度, 两束光干涉, 然后你可以看到那经典的条纹. 透射电镜也一样, 普遍的情况下, 你总有某个衍射束处在激活状态, 而其他的衍射束很弱. 好比上图, 虽然已经非常均匀了, 可是你还是可以觉察到六角星左下角箭头标示的斑点比较亮. 这个衍射束和你的入射束(中心斑)发生干涉, 并愉(ke)快(chi)的纠缠在一起, 导致你看到一些比较明显的衬度. 尤其是在应力集中的地方. 这个衬度的强度取决于样品厚度和你那个较强衍射束偏离布拉格衍射条件的距离. 所以在这个衬度下应力场会非常清楚显现, 靠着这个衬度, 透射电镜成为位错和点缺陷观察利器. 每个衍射斑的背后都隐藏着一个世界. 如下图, 是由不同的衍射斑激活所能看到的缺陷, 这些都是一个东西, 不理解衍射, 是没法进行分析的.

说成像分析常用双束的一定对位错缺陷观察不熟悉, 双束近似是用来看位错的初级手段, 跟高分辨原子像并没有一毛钱关系. 除了双束, 缺陷观察还用到暗场弱束, 会看到比较锐利的位错像. 切换双束和弱束入射条件好比单反里改变光圈. 如下图, A是弱束暗场, B是双束, A能看到那些线(缺陷)的细节. 好吧, 这个是夹带私货, 因为本人就是活在缺陷的世界...

在高分辨成像中, 电子束最佳条件是处于晶带轴或者说菊池极点上(至少大多数衍射斑都激活), 听不懂的话你可以认为电子束接近晶粒法向(严格说是某一晶带轴...)一致, 在这种情况下, 所有的衍射束基本上处于同时激活状态, 也就是上述衍射斑亮度基本均一,  因为大家都很低, 这时主要衬度来源是相位衬度和Z-衬度. 相位衬度顾名思义就是不同光束之间的相位差导致的衬度, 与普通光学一致, 它是跟条纹联系起来的, 这个衬度跟倍率无关, 并不是高分辨专属, 在低倍也有相位衬度. 好比是手术台的无影灯, 或者换个更加活(shen)波(shi)的例子, 你可以想象普遍意义的衍射衬度是一夫一妻的和谐社会, 相位衬度就是你们爱的后宫路线, 后宫人数越多, 哦, 不对, 同时激活的衍射斑越多, 分辨率越高. 这就是为什么高分辨不爱物镜光阑(其实有些情况下也可以用). 相位衬度有时可以用来跟衍射衬度混用,比如当我们说厚度条纹时二者都能用, 都可以理解成相位差. 但是有时不能, 比如弯曲条纹是纯衍射衬度, 是远离完美衍射条件造成的,不是相位衬度. 既然厚度已经被剥离出去, 所以这里的Z衬度严格上是质量衬度, Z的含义是原子序数. Z越高就越亮(白), 也就是说金是白的碳是灰的. 此处并不附图, 因为在强大的后宫/相位衬度面前, Z衬度经常分分钟被秒成渣渣...
同时, 因为衍射是建立在原子面之上的, 所以一个很重要的结论需要题主和读者注意的是: 用透射电镜, 你看到的都是原子序列, 一排一排的原子, 不是单个原子. 在一个演讲上, 那本入门套的作者之一Carter曾经毫不绝望并且欢乐的告诉我, 估计在我这一辈子, 是没法用透射电镜黑科技直接的观察到单个原子了. 当然目前也有些人搞些图像计算, 玩来玩去声称看到了, 其实说的不客气一些, 都是想象力罢了.

你以为你看到了神, 你所看到的只是影子, 仅此而已

必须要强调和纠正的是, 原子像在传统高分辨TEM (HRTEM)下是合理存在的. 光这一点可以分分钟找出来100多篇文献来. 在Z-衬度STEM成为时尚之前, HRTEM何以获得原子像? 首先你的样品要好, 可以在HRTEM下看到原子像的样品要求在30nm左右, 取决于材料, 也不能太薄. 制样是透射电镜最大的困难, 黑魔法, 谁试谁知道. 后面的其实就是个参数优化的过程, 想象你可调节参数落在一个很大的圆里, 好比说原子的位置是神, 不同的点在这个圆上是他的投影. 你以为你的选项很多, 其实, 你能看到的可以反映原子本尊模样的参数可能只是一个非常细的圆环 (有非常好的图具体那些参数需要调节, 但是年月太久找不到了, 具体原理可以参阅Williams Carter 的电镜入门套装).  在环里你看到的是神, 高于这个环你看到的是一头猪, 低于这个环你看到的是一头驴..例子如下图, 我不说你知道他们是一个东西吗? 历史上有非常经典的因为参数不对把硅的原子像搞错了, 发表文章后被人推翻的.

如同所有一切挑战神的工作一样, 你觉得找到那个圆环之后就结束了吗? 这里面影响因素过多, 纤毫之差谬之千里...水中捞月, 黄粱一梦, 但是孩子你不要哭, 模拟计算帮你成为人生赢家! 大概过程就是构造与你观察区域一致取向的原子结构, 然后进行构造优化. 把优化后的系统转到跟你观察的衬度差不多的方向, 结合透射电子的运动学动力学分析, 你傅里叶变换也好, 肉眼对比也好, 一致之后你终于可以高兴的说我看到了原子! 可是旁边的STEM高富帅低头看着屌丝的你, 并不觉得你够格跟他说话.

HRTEM的原子像非常具有挑战性, 但是有了Z衬度STEM之后, 整个世界都不一样了. 看原子像变得简单, 当入射电子和样品面法向的夹角较高的时候, 相位衬度基本可以消除, 只留下干干净净的Z衬度. 需要注意的是, 并不是所有的STEM都是Z-衬度, 只有高角度成像才行 (位错狗基本不用高角度...). 高角度成像主流基本分为高角度暗场和高角度明场. 高角度针明场可以看到很轻的原子, 日本有研究组已经观察到氢原子, 如下图 (Ishikawa R, Okunishi E, Sawada H, Kondo Y, Hosokawa F, Abe E. Nature Materials 2011;10:278.). 讲真, 这玩意就是黑科技啊. 但是, 如其他答主所说, 好的STEM对球差矫正要求非常严格, 说白了你往深了走就有砸钱砍手的节奏, 很多研究组都是自己定制加了各种矫正镜头的电镜, 好比玩单反, 玩这个也能穷一生...

更高分辨的图像, 操作VS设备: 与单反同理, 玩电镜玩到最后也在玩设备, 面对那些以设备制霸天下的研究组, 操作大牛也都跪了

设备方面, 也不是说你有Titan就牛逼了, 这么说吧FEI的Titan好比是佳能的5D, 搜搜知乎撕逼贴你就知道是不是最强了. 除了佳能你还可以选择尼康, 索尼啊, 除了5D, A7你还可以选择自己买镜头铁块自己造一个啊. 日本地区这方面基本上可以说是世界领先, 主要是因为该区脑洞大, 技术领域非常活跃, JOEL, 日立都为很多研究组做了面向各种使用环境, 全世界独一无二的牛镜. 遗憾的是, 据我所知, 我朝在制造电镜方面万里长征, 半步都没走出去呢. 唉, 现实很骨感, 还是先掌握圆珠笔的尖端技术再说吧...
另外补充说明一下传统TEM下超高压电镜的那些事. 传统TEM条件下, 消除球差相散并不是唯一可以提高分辨率的手段, 还可以使用超高压技术, 也就是使用更高电压的电子束. 与光学镜一样, 能分辨的最小尺寸取决于入射波长. 这么说吧, 常用电镜是200kV, 波长大概是2.5pm左右, 当加速电压变成1000kV时, 波长变成了0.8pm (计算高压下电子波长是我最接近相对论的时候...) . 高压带来的好处就是更高的分辨率, 然后可以看更厚的样品. 这对难减薄样品是福音. 有人已经用超高压电镜观察到了厚达数微米样品内部的位错结构. 最高压可以达到3000kV. 世界上现存的超高压电镜屈指可数, 日本现役貌似7台, 我国1台休眠中, 美国1-2台休眠中, 欧洲情况不太了解, 现役貌似3台. 这货点分辨率可以达到0.1nm. 你说为什么不大家都造? 主要原因是高速电子带来辐照损伤, 你哼着小曲拍着照片, 忽然定睛一看艾玛,我样品呢. 其次设备庞大, 维护需要一个团队, 这货比最好的STEM还贵... 虽然曾经风光过, 现在很多超高压电镜都被解体了, 估计也只有日本还在大范围使用.

越来越便利,越来越简单, 是好事也是坏事
如同单反一样, 数码时代一切都在往简单发展. TEM发展非常快, 我开始学的时候还要关灯取底片, 然后小心翼翼拿到暗室冲洗, 佩戴防静电腕带...冬天一个静电劈过就欲哭无泪...
现在已经是操作简易, 大部分的工作都能通过电脑完成, 寻找参数更是各种算法可以选择. 就连我们实验室最菜的爱打游戏爱泡妞韩国棒子上来都弄出来乒乓球一样犀利的硅原子... 但是老生常谈, 说到底, 科研工作最重要的还是分析和点子, 看到原子像其实并不能说明宇宙是他们的. 我认识的一些用电镜的, 其实连最基本的调整校准都还不会, 上来就用, 更别提跟他们说基本原理了. 最奇葩是遇到过有个连光阑都拧不回去的, 还发邮件问管理员是不是被人用坏了...国外, 真事.
导师曾经告诉我, 他希望我学会的是microscopy, 而不是microscope. 我觉得这点对于电镜初学者非常重要.

其实看不看得到都是伪命题, 世界是运动的, 除了"看到原子"这样的空间分辨率问题之外, 透射电镜还存在时间分辨率. 目前水平我们好比用普通摄像机拍子弹穿西瓜. 所以你并不能看到原子振动, 你只不过在时间流逝中解剖上一秒原子的尸体. 甚至连科普影片想象中的一个原子出去勾搭另外一个然后生一个娃娃的画面也是很难捕捉到的.  能突破这一屏障, 做到四维观察, 也是非常有意思和前景的科研方向.