REW软件——-高分辨电子显微镜的像模拟与出射波函数重构的应用软件

　　高分辨电子显微镜(high resolution transmissionelectron microscopy, HRTEM)的像处理技术在电镜实验中是不可缺少的重要辅助研究手段,通过对拍摄的图像进行处理与分析,人们可以得到隐含在图像中的深层次信息,从而可以正确地解释HRTEM图像,提高HRTEM的分辨率等。这些信息主要反映材料的形貌和结构特征,但由于材料的结构决定着它的物理、化学、机械、电学等性能,随着人们对材料研究的尺度越来越小,因此,通过HRTEM及其像处理技术对材料结构的认知,将推动材料科学的飞速发展。目前,利用透射电子显微镜科学家们确定了单壁碳纳米管内填充物的填充结构[1],能研究合金中纳米量级沉淀物的原子结构[2],可研究SrTiO3缺陷芯中氧原子的结构[3]……。这些令人瞩目的成果中,都离不开HRTEM,更离不开HRTEM的专业像处理技术。目前先进的电子显微镜中已经加入了球差矫正器,也仍需要像处理技术来提高图像质量、辅助分析材料结构。

　　HRTEM像模拟与出射波函数重构的计算方法是分析实验HRTEM像的两种重要方法。HRTEM像模拟方法是应用最广泛的HRTEM像处理技术。它利用Cowley J M教授的多层法理论及电子显微镜成像理论,从材料的原子结构模拟HRTEM的图像,将模拟像与HRTEM下拍摄的实验像进行比对,确认材料的原子结构[4]。出射波函数重构的方法可得到样品后表面出射的波函数,重构的波函数去除了电镜像差的影响并能够恢复记录过程中损失的相位信息,从而提高图像的分辨率[5]。重构波函数的计算方法有多种,主要有求解Maximum Likelihood(MAL)方程的方法[6,7],Maximum Entropy Method(MEM)方法[8]及Iterative Wave Function reconstruction (IWFR)方法[9]等。

　　专业HRTEM像处理的应用软件是像处理理论与应用的唯一“桥梁”。为使HRTEM的像处理技术能够走进实验室,让每个电镜用户都能方便、轻易地应用HRTEM像处理理论对HRTEM像进行处理,本文作者研究开发了同时具有HRTEM像模拟与波函数重构应用软件REW(Reconstruction of Exit Wave)。REW软件是在Visual C++的平台环境下开发的、能独立运行于Windows操作系统下的、拥有良好用户界面的应用软件。软件最初开发仅是为了使用户方便地实现波函数重构功能[10],考虑到像模拟的计算方法也是专业HRTEM像处理的重要方面,作者在原软件的基础上加入了高分辨像模拟的计算功能。目前,该软件是唯一一个提供免费使用的、同时具有HRTEM像模拟与波函数重构的应用软件,用户可通过电子邮件的形式向作者索取。这篇文章将介绍软件的主要理论基础与应用实例,向国内用户推广软件。

　　1　基本原理

　　1·1　利用多层法模拟样品的出射波函数