景深对HAADF-STEM原子分辨率三维重构的影响
发布时间：2021-03-31 10:52
扫描透射电子显微镜高角环形暗场像通常被认为是样品内部结构的线性投影,被广泛地应用于倾转系列三维重构之中。但是,在像差校正电镜中,当电子束的横向分辨率提升到亚埃尺度时,其纵向景深也将缩小至纳米尺度。当景深小于样品的厚度时,高角环形暗场像将从样品内部结构的线性投影转变为样品内某一深度的光学层析。本论文通过理论模拟,研究了纳米尺度景深下原子分辨率三维重构的可行性。研究发现,当景深小于样品厚度时,三维重构技术只能正确重构样品中的局部区域。该区域的大小与入射电子束景深呈正相关,位置与入射束的欠焦量有关。另外,研究还发现实际正确重构的区域相对于电子束名义聚焦位置偏上,即存在提前聚焦现象,其偏离程度与样品内原子的原子序数、会聚角以及加速电压有关。当原子序数越大或会聚角越大时,其与名义聚焦位置偏离越大。
【文章来源】：电子显微学报. 2020,39(05)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
用于图像模拟的三维模型。
尺寸为10 nm×10 nm×2.4 nm的铝原子模型的重构结果,电子束斑分别被聚焦到深度为:a. 1/4样品厚度;
图3是将会聚半角为50 mrad,加速电压为200 kV(此时的景深为1～3.5 nm)的电子束会聚至尺寸分别为10 nm×10 nm×2.4 nm,5 nm×5 nm×2.4 nm和2.4 nm×2.4 nm×2.4 nm的铝内1/2深度时的重构结果。在图3(a～c)中,红色正方形虚线框对应的边长为2.4 nm,黄色正方形虚线框对应的边长为5 nm。通过对比可以明显地看出,尽管模型大小不同,在相同的成像条件下,被正确重构出原子位置的区域的尺寸,在三种情况下均接近2.4 nm。对上述重构结果的解释如图4所示。图4a描述了STEM图像的形成过程,当电子束斑(即横向分辨率和纵向景深)小于样品厚度时,其在样品中的实际影响范围有限,只能携带样品的局部结构信息,最终形成的扫描图像,仅具有样品中某一深度范围内(橙色矩形框所示)的结构信息,即形成光学层析。该成像模式下产生的倾转系列像,在三维重构的过程,其中包含的样品信息将以如图4b所示的模式被用于重构。正确的三维重构,需要将每一个倾转角下的图像所携带的样品的结构信息,通过反拉登变换,正确地恢复到对应位置。但按照图4b中的信息恢复方式,样品的信息并不能被完全正确地恢复至正确位置,信息恢复率如图4c所示。图4d是该模式下的某一模拟重构图像,对比图4c和图4d可知,信息恢复率高的位置,原子可以被正确地重构出来。在图4c中,信息恢复率最高是55%,这说明该位置的重构结果,在180°全角度倾转的重构条件下,其实际有效信息仅有-50°～50°,存在严重的缺失锥现象,只是当重构的对象原子的形状为小圆点时,缺失锥效应不严重。进一步容易知道,信息恢复率和入射电子束聚焦点与倾转轴之间的相对位置具有直接关系。当电子束聚焦点与倾转轴重合时,如图2b,图3(a～c)中的情形,其重构时的信息覆盖率最高,中心可达100%。当电子束聚焦点远离倾转轴时,重构的质量会变差。另外可知,正确重构的区域根据电子束聚焦的深度变化,且该区域的尺寸直接决定于电子束的景深。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于改进的多层法和GPU加速的透射电镜图像模拟算法和程序[J]. 明文全,陈江华,牛凤姣,沈若涵,何玉涛,陈志逵. 电子显微学报. 2018(05)
本文编号：3111310
【文章来源】：电子显微学报. 2020,39(05)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
用于图像模拟的三维模型。
尺寸为10 nm×10 nm×2.4 nm的铝原子模型的重构结果,电子束斑分别被聚焦到深度为:a. 1/4样品厚度;
图3是将会聚半角为50 mrad,加速电压为200 kV(此时的景深为1～3.5 nm)的电子束会聚至尺寸分别为10 nm×10 nm×2.4 nm,5 nm×5 nm×2.4 nm和2.4 nm×2.4 nm×2.4 nm的铝内1/2深度时的重构结果。在图3(a～c)中,红色正方形虚线框对应的边长为2.4 nm,黄色正方形虚线框对应的边长为5 nm。通过对比可以明显地看出,尽管模型大小不同,在相同的成像条件下,被正确重构出原子位置的区域的尺寸,在三种情况下均接近2.4 nm。对上述重构结果的解释如图4所示。图4a描述了STEM图像的形成过程,当电子束斑(即横向分辨率和纵向景深)小于样品厚度时,其在样品中的实际影响范围有限,只能携带样品的局部结构信息,最终形成的扫描图像,仅具有样品中某一深度范围内(橙色矩形框所示)的结构信息,即形成光学层析。该成像模式下产生的倾转系列像,在三维重构的过程,其中包含的样品信息将以如图4b所示的模式被用于重构。正确的三维重构,需要将每一个倾转角下的图像所携带的样品的结构信息,通过反拉登变换,正确地恢复到对应位置。但按照图4b中的信息恢复方式,样品的信息并不能被完全正确地恢复至正确位置,信息恢复率如图4c所示。图4d是该模式下的某一模拟重构图像,对比图4c和图4d可知,信息恢复率高的位置,原子可以被正确地重构出来。在图4c中,信息恢复率最高是55%,这说明该位置的重构结果,在180°全角度倾转的重构条件下,其实际有效信息仅有-50°～50°,存在严重的缺失锥现象,只是当重构的对象原子的形状为小圆点时,缺失锥效应不严重。进一步容易知道,信息恢复率和入射电子束聚焦点与倾转轴之间的相对位置具有直接关系。当电子束聚焦点与倾转轴重合时,如图2b,图3(a～c)中的情形,其重构时的信息覆盖率最高,中心可达100%。当电子束聚焦点远离倾转轴时,重构的质量会变差。另外可知,正确重构的区域根据电子束聚焦的深度变化,且该区域的尺寸直接决定于电子束的景深。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于改进的多层法和GPU加速的透射电镜图像模拟算法和程序[J]. 明文全,陈江华,牛凤姣,沈若涵,何玉涛,陈志逵. 电子显微学报. 2018(05)
本文编号：3111310
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3111310.html
