透射电子显微学的新进展Ⅰ透射电子显微镜及相关部件的发展及应用

本文综述了透射电子显微镜(TEM)及相关部件,即场发射枪(FEG)透射电子显微镜、慢扫描电荷耦合器件(SSCCD)、球差校正器、单色器及高能量分辨率的新一代能量过滤成像系统的发展及应用。商业化的UltraScan1000SSCCD的读写速度已达4MHz,接近实时观察图像的目标;已生产出用于TEM和STEM的球差校正器,可把CM200FEGTEM的球差系数从常规的1 23mm调整至+2mm～-0 05mm之间的任意值;单色器可把肖特基场发射枪发射电子的能量分散从0 6～0 8eV减少至0 04～0 1eV;新一代能量过滤成像系统HR GIF可把能量分辨率从0 8eV提高至0 05eV。配有单色器、球差校正器、HR GIF的新一代场发射枪透射电子显微镜可提供亚埃的空间分辨率和亚电子伏特的能量分辨率,为研究物质的原子 电子结构提供了可靠的保证。

透射电子显微镜分辨率的改进

本文在论述透射电子显微镜物镜球差和色差对电子显微镜分辨率的限制基础上 ,介绍了克服这些限制因素的方法 ,并展示了同时配备有球差矫正器和单色器透射电镜的一些最初结果。

球差校正高分辨电子显微像的像衬和解卷处理

本工作将赝弱相位物体近似像衬理论延伸至球差校正高分辨电子显微像,分析了球差校正像的衬度随样品厚度的变化规律。指出非Scherzer聚焦条件下球差校正电镜拍摄的高分辨像仍未必反映晶体结构,讨论了解卷处理方法应用于球差校正像的有效性,并以有I2型层错的GaN晶体为例,借助像模拟肯定了解卷处理能用于复原原子分辨率晶体缺陷的结构像。

像差校正高分辨透射电子显微术及其在表征功能氧化物材料结构及界面中的应用

简要介绍基于像差校正高分辨透射电子显微镜的负球差成像技术及其在研究功能氧化物材料原子构型中的应用。在亚埃尺度的空间分辨率下,负球差成像技术不但可以获得高衬度的原子尺度结构像,而且可以在皮米精度测量材料中的原子的相对位移,从而精确表征材料结构、晶格缺陷的细微变化及其对材料性能的影响。负球差成像技术为定量解析材料中包含轻原子(例如,氧)在内的精细结构问题提供了有力的手段。重点介绍了负球差成像技术在表征铁电材料电偶极矩、畴结构及畴壁,氧化物异质界面和三维Mg O晶体表面精细结构中的应用。

基于FIB-SEM制备尖晶石微米颗粒的球差校正透射电镜样品

针对尖晶石微米颗粒材料,利用聚焦离子束扫描电镜双束系统(FIB-SEM),在传统透射电镜样品制备方法的基础上进行技术性改进,成功制备了高质量的球差校正透射电镜样品。并利用球差校正透射电镜成功观察到了尖晶石颗粒的截面原子结构,为更深入地研究尖晶石材料的结构和性能奠定了基础。

球差校正透射电镜技术探究SrTiO_(3)/SrTiO_(3)同质薄膜导电起源

通过脉冲激光沉积方法沿着SrTiO_(3)衬底(001)方向生长了SrTiO_(3)/SrTiO_(3)(001)同质外延薄膜,薄膜退火前为导电状态,在氧气气氛中退火后变为绝缘态。运用环形高角暗场像、环形明场像和能量损失谱等多种先进的球差校正透射电镜技术,从原子尺度分析薄膜表面和界面处的原子占位、电子结构以及氧空位等。研究发现,退火前薄膜表面存在TiO_(x)(1<x<2)重构层,退火后重构层仍然存在,但Ti的价态有所升高。同时,通过原子分辨率的能量损失谱分析对比了退火前后Ti和O的价态变化,发现:退火前薄膜表面和界面附近存在氧空位,薄膜表面的氧空位更多,退火后氧空位消失。因此,对于SrTiO_(3)/SrTiO_(3)同质薄膜来说,薄膜导电的起源主要为薄膜表面和界面附近氧空位的共同作用。

球差校正透射电镜简介

作为大型精密的微结构分析仪器,球差校正透射电镜广泛应用于化学、材料和生物等领域的前沿科学研究。本文介绍了球差校正透射电镜的原理、球差校正透射电镜技术在分析化学晶体结构中的应用,以及对结构化学课程教学的辅助促进作用。

磁六极球差校正系统的计算与分析

限制电子显微镜分辨本领的主要因素是电子透镜的球差，对一种实际的校正磁透镜的磁六极球差校正系统进行了计算和分析。计算结果表明利用该系统可以消除三级球差。

具有转角石墨烯结构碳纳米材料的电子显微学表征

本文通过一步高温烧结石墨烯量子点制备了一种具有转角石墨烯结构的碳纳米材料,并利用球差矫正电子显微镜进行表征。该碳纳米材料中存在大量纳米尺度的孔隙和由几层小片层的石墨烯以随机旋转角堆垛形成的结构。通过HRTEM图像的快速傅立叶变换(FFT)分析来区分每个旋转角度的石墨烯层,并且多层石墨烯的堆叠还能引起更复杂的层状结构。纳米尺度的局域型转角堆叠结构、孔隙意味着其具有多种可能的带隙结构,使这种碳材料有可能作为转角石墨烯结构与性能关联的研究平台;并且此类碳材料在碱溶液处理后,表现出类似于Pt催化剂的催化特性和一种商业化的20%Pt/C催化剂的催化活性。

基于图像分割和盲反卷积的透射电镜图像漂移校正方法

样品漂移是影响透射电子显微镜分辨率的重要因素之一。近年来有一系列关于透射电镜图像漂移校正的算法,如Unblur、MotionCor和MotionCor2等,在冷冻电镜三维重构方面应用效果显著,但无法应用于材料表征电镜通常配备的CCD相机的图像漂移校正。本文提出了一种基于图像分割和盲反卷积的透射电镜图像漂移校正方法,在Goldstein和Fattal提出的利用功率谱的统计不规则性估计卷积核算法的基础上,利用图像分割解决了电镜图像样品部分和背景部分的运动方式不一致问题,能够应用于CCD相机的图像漂移校正。实验结果表明,本文的方法能够有效提高电镜图像的分辨率。

η-Cu6Sn5相表面重构的电子显微学研究

CuSn合金是重要的无铅焊料。在焊接冷却过程中186~189℃温度区间,具有NiAs B81结构的η-Cu6Sn5会发生相变形成具有多种调制结构的η’-Cu6Sn5相。该相变机理至今尚未清楚阐明。本文使用扫描透射电子显微学方法对空气冷却的CuSn合金中的η-Cu6Sn5进行精细结构表征,观察到η-Cu6Sn5晶粒表面形成一层厚度约为2~3 nm的富Cu重构层η~S-Cu6Sn5。表面重构导致多余Cu原子和部分Sn原子占据2(d)空位,其结构不同于已发现的各种超结构。发现η-Cu6Sn5晶粒内部多余Cu原子随机占据2(d)空位,形成短程有序结构,傅里叶变换出现三次调制结构。研究表明该相变是由Cu原子沿表面或晶间扩散主导,这对进一步揭示η’相调制结构的形成和提高CuSn焊料电学性能与机械性能具有重要意义,为优化焊接流程和降低电迁移效应提供了基础研究的支撑。

当谈论球差校正透射电镜时,我们在谈论什么?

透射电子显微镜(简称透射电镜)是能够直观分析材料微结构的最重要工具之一。在透射电镜近百年的发展历史中,近些年来球差校正透射电镜的研发与应用乃是最具革命性的发展,不但进一步延伸了通向微观世界之路,更为材料科学的快速发展提供了关键的工具与研究方法。文章通过介绍球差校正透射电镜的原理、优势、应用及发展,来回答“什么是球差校正透射电镜”,“球差校正透射电镜有什么突出作用”,“球差校正透射电镜除了拍原子还能做什么”这三个问题。

异质界面调控超薄PbTiO_3薄膜四方性的研究

本文利用球差校正透射电子显微镜研究了异质界面结构对PbTiO_3/La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3/NdGaO_3(110)_O以及PbTiO_3/NdGaO_3(110)_O超薄薄膜体系中铁电PbTiO_3层四方性的影响。结果表明,在NdGaO_3(110)_O衬底上生长的具有化学价态不连续异质界面(La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3/PbTiO_3)的PbTiO_3薄膜体系中四方性比直接在NdGaO_3(110)_O衬底上生长超薄PbTiO_3薄膜的四方性明显增强,XPS谱分析显示出界面Mn元素价态发生了变价,探讨了界面处化学价态的变化对薄膜四方性的影响。

二氧化铈纳米催化剂可控合成及超微观构效关系研究

铈(Ce)离子的价态转变往往伴随着氧的储存与释放以及氧空位(Ov)的形成与迁移,因此二氧化铈(CeO_(2))材料被广泛地应用于汽车尾气处理、固态燃料电池、催化等领域。其中铈离子可逆的价态转变(Ce^(4+)■Ce^(3+))是二氧化铈材料发挥其优异性能的关键。在当下中国社会加速实现“双碳”目标的国家战略之下,二氧化铈材料在能源和催化等领域将有着更广阔的应用前景。已有众多研究者借助表界面催化、纳米技术和先进的球差校正扫描透射电子显微学(AC-STEM)等技术,设计与合成结构合理且性能优良的二氧化铈纳米催化剂,并从超微观角度出发对其原子结构、离子价态、化学成分等物理化学性质进行了深入的分析与研究。基于此,综述了近些年来二氧化铈纳米催化剂的可控合成、晶面调控与生长、自组装、功能性掺杂等方面的最新研究进展,深入讨论了其原子结构、化学成分和物理化学性质之间的关系,建立了纳米催化剂的超微观构效关系,为设计合成多组分、多维度、高性能的二氧化铈纳米催化剂提供可靠的实验数据和有力的理论指导。

Pt-Sn/γ-Al_(2)O_(3)工业失活重整催化剂的微观结构研究

采用多种表征手段对工业失活Pt-Sn/γ-Al_(2)O_(3)型PS-Ⅴ重整催化剂的载体形貌与微观结构,活性金属位置、尺寸与聚集状态等信息进行了深入表征。X射线衍射光谱表征结果显示失活剂载体结构完好,与新鲜剂无明显差异,但高分辨透射电子显微镜图像表明失活剂中载体部分转化为蜂窝状或片状结构的α-Al_(2)O_(3);透射电子显微镜观测结果表明活性金属形成了大量的Pt-Sn合金聚集体,尺寸在20~150 nm之间,统计平均尺寸为50 nm左右;球差校正扫描透射电子显微镜(Cs-STEM)观测结果表明未聚集的Pt原子在载体表面依然呈现原子级分散特性;CO探针原位红外光谱表征结果表明失活剂中Pt金属形成聚集。同时从载体和金属两方面深入分析了工业失活剂微观结构,给出了其结构变化与催化剂性能下降之间的构效关系。

基元构筑的功能材料皮米尺度结构

功能材料的结构设计与性能调控是材料科学与凝聚态物理领域的前沿热点问题,功能基元的人工序构成为近年来提升材料功能特性、探索新奇物理现象的新范式.准确理解功能基元构筑的新材料宏观物性的起源要求精确地表征功能基元的结构、形态和分布,明晰功能基元之间耦合效应.具有皮米测量精度的像差校正透射电子显微镜是解析低对称性材料和复杂化学体系材料原子结构、化学组成和电子组态的重要工具,为实现高精度、多维度表征功能基元及其空间的构筑方式、建立构-效关系提供了新途径.本文通过选取不同尺度下的代表性功能基元,论述了皮米尺度下功能基元的本征特性与空间排布,及其与宏观物性之间的关联,突出了像差校正透射电子显微学的突破和发展,为理解基元构筑的功能材料功能性起源提供了坚实的基础.

锌离子电池正极材料V2O5的储能机理和容量衰减原因

采用水热法结合热处理制备了具有高结晶性的V2O5,利用X射线衍射仪、球差校正扫描透射电子显微镜和扫描电子显微镜对V2O5的物相和形貌进行了表征,发现制备的V2O5择优取向生长并且具有良好的结晶性.电化学测试结果表明,以V2O5为正极材料的电池在电流密度为0.5 A/g下首次放电比容量约为340 mA·h/g.在电流密度为5 A/g下电池的首次放电比容量为170 mA·h/g,并且循环100次后衰减为50 mA·h/g.对不同放电态的V2O5正极材料的物相进行了分析,得出了V2O5正极材料在充放电过程中发生了锌离子和质子共嵌入(脱出)的反应机理;V2O5正极材料在充放电过程中发生的非晶化和副产物碱式硫酸锌的生成是导致以V2O5作为水系锌离子电池正极材料的电池系统发生容量衰减的主要原因.

锂离子电池电极材料表界面结构的原子尺度表征

锂离子电池充放电过程中,锂离子的传输要穿过多种表面和界面,表界面的性质对电池的功率密度、能量密度、充放电效率、使用寿命、循环稳定性等具有重要的影响。表界面一般具有与体相不同的结构,在原子尺度上直接观察不同电化学状态下电极表界面的结构,有助于从更深层次认识电化学反应机理和性能演化规律,对于改善锂离子电池性能具有重要的指导意义。阐述了球差校正透射电子显微成像技术在研究电极材料表界面结构原子尺度研究中的应用,介绍了特殊的相界面、SEI、表面相变、表面掺杂等,探讨了表界面原子尺度结构与性能的内在关联,提出了改善电池性能的针对性建议,并对锂离子电池未来的发展从提高能量密度、避免固液界面副反应和改善电池性能三个方面进行了展望。

稀土正铁氧体YFeO_(3)的原子尺度离子占位解析及磁学性能研究

稀土正铁氧体YFeO_(3)具有独特的磁学性能,如自旋重新取向相变、高反铁磁转变温度和弱铁磁性,在磁感应器件等领域有良好的应用前景。YFeO_(3)优异的磁学性能与其晶体结构、离子具体占位和分布息息相关,所以在原子尺度上解析YFeO_(3)的微结构对理解和调控其磁学性能具有一定的指导作用。本文制备了单颗粒链YFeO_(3)纳米纤维,对其形貌、成分和结构进行了表征,得到该实验制备的YFeO_(3)为正交钙钛矿结构。进一步利用球差校正电镜的STEM技术系统地研究了阳离子的准确占位和长短程有序分布,在原子尺度上直观地解析了正交钙钛矿结构,结果显示每个堆积成纳米纤维的颗粒均为单晶,其晶向是随机的。随后对其磁学性质进行了研究,得到该材料具有大的矫顽力26772 Oe,在零场处存在弱铁磁相。