高分辨率定量电子显微学

　　本文将在综述高分辨率定量电子显微学及相关技术发展现状的基础上,讨论材料结构和缺陷的原子尺度直接观察与计算机模拟对比研究的意义及影响高分辨率定量电子显微学测量结果的几种因素的研究现状。

　　1.与高分辨率定量电子显微学相关技术的发展

　　1971年,饭岛(Iijima)首次用电镜拍摄出Ti2Nb10O29的高分辨像,清楚地显示了这种氧化物中重金属原子的投影位置,从而使人们直接观察物质中原子排列的宿愿由理想变为现实。随着时间的进程,微观观察的仪器提供了约0.1nm的点分辨率,0.5nm的空间分辨率,0.005nm的深度分辨率。尤其是场发射枪透射电子显微镜、慢扫描电荷耦合器件、能量过滤成像系统、消三级像散器和无慧差自动合轴装置的出现,以及计算机和计算技术的飞速发展和应用,使电子显微学中有关图像的接收、传输、处理与再现技术得以新的发展,促进了高分辨率定量电子显微学的发展。此外,电子衍射多束动力学理论,Bloch波矩阵运算,多层法、分子动力学和第一原理计算方法的发展,提供了在原子层次观察和模拟物质结构的条件。

　　2.高分辨率定量电子显微学的发展及其应用

　　目前正在发展的一种趋势是高分辨率定量电子显微学与计算材料学紧密结合,将模拟计算的结构与实验观察结果进行定量的比较,以获得更精确、客观的信息。为此,定量高分辨电子显微学(QHREM)和定量会聚束电子衍射(QCBED)也应运而生。

　　2.1　定量高分辨电子显微学的发展

　　1)定量结构分析(Quantitative structure analysis):应用实验高分辨像与模拟像匹配与定量比较技术,不但可以确定电镜成像参数,而且进一步提高测定界面和缺陷原子结构的精度。整个像素点的定量比较和匹配过程完全由计算机来完成。用定量结构分析方法,Shindo等人不但精确地测定了Tl2Ba2Cu1Oy的原子结构,而且还确定了缺氧原子位置及Tl原子占据点阵位置的几率。Ernst等人研究了Cu的Σ3(211)晶界的原子结构,精度优于0.03nm,测定NiAlΣ3(111)晶界原子位置时精确度达到～0.015nm。Zhang等人使用最小二乘法研究了(Sr0.9Ca0.5)1.1CuO2的面缺陷结构,其误差在0.01nm以内。

　　2)像点精确定位法:依据高分辨像衬度的变化规律,用高分辨像亮点中心定位的原理和算法,利用计算机图像处理技术,可以测量晶界的平移与旋转,测量局部点阵参数以及界面和位错附近晶格畸变等。Bayle等人应用这种方法,在外延生长的Au/Ni多层膜中(Ni层的厚度分别为1,2,3和4个原子层),测量了沿多层膜生长方向的点阵畸变。我们也用自行开发的高分辨像图像处理方法,从界面或位错高分辨像的定量分析中,获取了在超晶格中畸变及元素分布图、位错和界面附近原子位置、畸变分布等重要的定量信息。