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Sandbox Physics

E26 · 电子成像 / 电子谱学

TEM 质量厚度对比

让平行电子束穿过含致密夹杂的非晶楔形薄片。调节物镜光阑，选择零损失电子并改变离焦，追踪直通、散射与被排除的电子怎样形成最终图像。

交互模型TEM 质量厚度对比
记录强度0 %0\,\mathrm{\%}
光阑排除0 %0\,\mathrm{\%}
滤波排除0 %0\,\mathrm{\%}
无弹性散射0 %0\,\mathrm{\%}
零损失比例0 %0\,\mathrm{\%}
多次非弹性散射0 %0\,\mathrm{\%}
致密夹杂对比0 %0\,\mathrm{\%}
几何模糊0 nm0\,\mathrm{nm}
每个 4 nm 像素计数00
实验任务—\text{—}

物理教程

为什么更致密的夹杂在 TEM 明场中更暗？

背景让平行电子束穿过含致密夹杂的非晶楔形薄片。调节物镜光阑，选择零损失电子并改变离焦，追踪直通、散射与被排除的电子怎样形成最终图像。

为什么值得理解先把仪器设置与测量结果联系起来，再解释样品。

先抓重点

核心问题
为什么更致密的夹杂在 TEM 明场中更暗？
一句话直觉
物镜光阑把角度分布的改变转成强度对比。大光阑收回散射电子，质量对比因而变弱；零损失与未散射也不是同一类电子。

核心数学模型

直通与零损失比例

Pdir=e−t/λel,P0=e−t/λinP_{\mathrm{dir}}=e^{-t/\lambda_{\mathrm{el}}},\quad P_0=e^{-t/\lambda_{\mathrm{in}}}

本教学模型假定弹性与非弹性事件相互独立。

光阑接收

Tα=Pdir+(1−Pdir)(1−e−α2/(2σθ2))T_{\alpha}=P_{\mathrm{dir}}+(1-P_{\mathrm{dir}})\left(1-e^{-\alpha^2/(2\sigma_\theta^2)}\right)

漫散射宽度保持假定的散射均方角。

滤波后强度

Tfiltered=TαP0,P≥2=1−(1+t/λin)P0T_{\mathrm{filtered}}=T_{\alpha}P_0,\quad P_{\ge2}=1-(1+t/\lambda_{\mathrm{in}})P_0

被排除的强度单独计入；这里没有做吸收计算。

常见难点

解读陷阱

容易误解明场图像里少掉的每个电子都被样品吸收了。

正确理解模型把入射电子分成记录、光阑排除与滤波排除三类。即使不引入吸收项，角度重新分配也会使图像变暗。

动手实验

  1. 01

    预测结果

    预测增大物镜光阑会让致密夹杂更亮还是更暗，在相同厚度下比较对比目标与大光阑。

    应该观察到： 物镜光阑把角度分布的改变转成强度对比。大光阑收回散射电子，质量对比因而变弱；零损失与未散射也不是同一类电子。
  2. 02

    操作与核对

    记录强度保持在入射强度的 15% 以上，夹杂对比至少 15%，多次非弹性散射小于 30%，几何模糊小于 4 nm。

    应该观察到： 用数值目标核对，再对照仪器与数据视图。
  3. 03

    解释限制

    比较零损失滤波与未滤波，再增厚薄片并离焦，分别解释计数损失、多次散射和模糊。

    应该观察到： 非相干振幅对比模型：假定弹性 / 非弹性平均自由程与直通加高斯角分布；滤波移除非零损失电子。离焦仅产生几何模糊，不含菲涅耳相位对比、衍射、多层切片或动力学散射。自由程为教学假设，非材料数据库。