相干扫描共聚焦电子显微镜三维成像研究

Transmission electron microscope (TEM) is one of the most powerful techniques in research of materials, condensed matter physics and chemistry. The breakthrough of aberration corrected techniques in late of 1990 brings the lateral resolution of TEM into sub-angstrom scale. Now it is possible to study the physics and chemistry of materials atom by atom. However, TEM resolution in the third dimension, which is parallel to the optical axis, is thousands times worse than the lateral resolution. The depth resolution of TEM is only several hundred nanometers. This limits the possibility for high-resolution 3D imaging of nano structures. In this project, we will develop a novel electron confocal technique for 3D imaging based on aberration corrected TEM. By choosing certain momentum changed coherent elastically scattered electrons, a high spatial resolution of 3D electron imaging will be achieved. This research will break the limitation of incoherent confocal imaging, and extend the capability of 3D imaging of current aberration corrected TEM. It is expected to be widely applied in both fundamental research and industrial applications such as materials, energy, information and chemical industry.

透射电子显微镜是材料科学，凝聚态物理和化学领域最重要的显微分析工具之一。随着上世纪末磁透镜球差校正技术的突破，透射电镜水平方向分辨率已达到亚埃级，使得在单原子尺度研究材料的物理和化学成为可能。但是透射电镜第三维沿光轴方向直接空间分辨率却数千倍低于水平方向分辨率，仅有数百纳米。这严重的限制了利用透射电子显微镜对纳米结构直接进行高分辨率三维成像。本项目计划开发一种基于球差校正电镜的新型电子共聚焦成像技术。通过在衍射空间选择特定动量改变的相干弹性电子，利用弹性相干信号实现实空间高分辨率三维纳米结构成像。这一研究将突破非相干共聚焦成像的光学限制，极大的扩展球差校正电镜在材料三维结构分析方面的能力，在基础学科研究和材料，能源，信息，化工等多种工业领域均将有广泛的应用。

透射电子显微镜是材料科学研究最重要的微观结构表征工具之一。基于球差校正透射电镜技术的新一代透射电子显微镜其横向分辨率可达到亚埃级，但是其纵向分辨率却仅有几百纳米，严重的限制了对各类高性能材料在纳米尺度的三维成像研究。本项目突破传统的光学荧光共聚焦显微镜采用非相干成像的限制，针对透射电子显微镜主要信号来源为相干弹性散射信号，发展了一套基于相干散射的共聚焦三维电子显微镜成像技术。通过环形光阑对电子束波前调控生成贝塞尔电子束，并在倒空间将布拉格衍射拓展成衍射环，从而利用常规的物镜光阑实现了动量改变电子的分离。通过选择水平方向动量改变的电子进入共聚焦模式的成像透镜进行实空间成像，获得了实空间和样品高度相关的强度分布。利用亮场探测器，结合x-y平面电子束扫描及利用压电陶瓷控制的z-轴移动，实现了高速，高信噪比以及高分辨率的三维共聚焦电子成像。这一技术拓展了透射电子显微镜的三维成像能力，对研究各类高性能材料纳米尺度的三维结构分布提供了新的可能。同时，这一相干散射的共聚焦成像模式突破了传统的光学共聚焦非相干激发的限制，对未来多种光源及物质波的相干三维成像提供了新的成像机理。