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自定义拍照时拍照界面_在用透射电镜拍照时为什么经常要插入物镜光阑？

时间：2021-10-16 06:24:06

在用透射电镜给样品尤其是多晶样品拍照时，经常会插入物镜光阑，这是什么原因呢？为了解释这个问题，我们还得用到衍射和衬度传递函数（Contrast Transfer Function）的知识，关于衬度传递函数可以阅读“Contrast Transfer Function”和“为什么过焦（Overfocus）样品边缘较暗而欠焦（Underfocus）边缘较亮？”这两篇文章。为了更直观的理解成像原理，我们还需要对成像过程有一定的了解，可以参考“透射电子显微镜是如何工作的？”这篇文章。这里我们只要关注从样品（Specimen）到像平面（Intermediate image 1）的部分，如图1中黑色矩形框所示。

图1 透射电子显微镜基本成像模式

Williams, David Bernard, and C. Barry. "Carter. Transmission electron microscopy: a textbook for materials science." (). New York: Springer.

基本成像过程

这里先以图2所示部分为例介绍一下成像过程。当平行电子束打到样品（Specimen）上时，电子会被衍射，衍射之后的电子束具有不同的传播方向，衍射角度较大（衍射电子束偏离竖直方向较大）的电子束具有较高的空间频率，衍射角度较小（衍射电子束偏离竖直方向较小）的电子束具有较低的空间频率，如图2所示。在“为什么过焦（Overfocus）样品边缘较暗而欠焦（Underfocus）边缘较亮？”这篇文章中提到，高频电子束包含样品的细节信息，而低频电子束包含样品的轮廓信息。之后衍射电子束会被一个物镜收集然后会聚在后焦面（Back Focal Plane， bpf），也就是图中物镜光阑（Objective Aperture）的位置。由高频电子束会聚而成的为高频衍射斑，由低频电子束会聚而成的为低频衍射斑，如图2所示。然后衍射光继续传播在像平面（图中Intermediate image 1）还原为样品的像。再往下的中间透镜（Intermediate Lens）主要是用于将像平面上的像投影到探测器上。

图2 透射电镜成像过程

插入物镜光阑

从图2我们可以看出，物镜光阑的位置正好是后焦面的位置，也就是物镜光阑起着将一部分衍射斑挡住的作用。物镜光阑的光孔尺寸一般比后焦面衍射像的尺寸要小，这就意味着一部分高频衍射斑会被物镜光阑挡住，如图3所示。

图3 物镜光阑的作用

从图三可以看到，当插入物镜光阑以后，高频衍射点会被挡住，这样只有低频衍射斑会发出衍射电子束在像平面上成像。所以插入物镜光阑的第一个效果就是降低了成像的分辨率，因为携带样品细节信息的衍射光被物镜光阑挡住了。但是，插入物镜光阑也是有优点的：可以提高成像对比度。

在文章“为什么过焦（Overfocus）样品边缘较暗而欠焦（Underfocus）边缘较亮？”中提到，高频电子束被挡住时，样品中细微结构会显得比较暗，因为细微结构成像中，高频衍射光起了很大作用。这就意味着，样品中不同尺度的结构所能接收到的电子的数量是不一样的。

多晶样品

在观测多晶样品时，我们期望看到样品中不同的晶粒，这样我们才能找到需要的晶粒进行衍射等后续实验。当加入物镜光阑时，不同晶粒的衬度不一样，也就是亮暗程度不一样，这样我们就很容易分辨出不同的晶粒，如图4所示。

图4 多晶样品TEM

Stuer, Michael, et al. "Nanopore characterization and optical modeling of transparent polycrystalline alumina."Advanced Functional Materials22.11 (): 2303-2309.

图4是一个多晶样品的TEM像，可以看到晶粒1和其他晶粒的明暗程度明显不一样，这主要是因为在沿着电子束轴的方向上，晶粒1中的细微结构更多。这可以是同样的材料（元素）不同的晶向导致的，也可以是不同的材料（元素）形成的晶粒不同导致的。我们知道同一个晶粒不同方向上晶面间距是不一样的，不同材料的晶面间距更不一样，所以这些样品的细微结构在尺寸上会有一定的区别。那么当高频成分被挡住时，细微结构能接收到的电子数减少，亮度相应地降低。如果不插入物镜光阑，则所有空间频率电子束都会参与成像，那么所有的结构都能获得较多的电子束，整个样品会显得很亮，这样在低倍下时不同晶粒之间的对比度很低，很难区分出不同的晶粒来。

以上就是物镜光阑在透射电镜中的作用以及基本原理。