透射电镜原子分辨和定量三维重构成像新方法及应用

The ultimate goal of three-dimensional electron tomography is to characterize the nano structure in materials accurately and quantitatively in multi dimensions. Currently, it is limited in some special materials, such as Pt nano-particles and mesoporous materials, the atomic-resolution electron tomography and the quantitative electron tomography can be realized experimentally. The reason can be attributed to the ineffectiveness of the reconstruction methods. This investigation aims to develop (1) a new quantitative electron tomography method which can be applied to accurately measure the volume fraction, area fraction and three-dimensional distribution of second phase particles in materials and (2) a new atomic-resolution electron tomography reconstruction method which can be applied to determine the atom arrangements in materials like high-entropy alloys. In addition, we also plan to explore new three-dimensional electron hologram method that combines focal series imaging and tilt series imaging. The results of the current investigation can be used by materials scientists to study the microstructure in materials of materials at higher resolution and in a quantitative way.

透射电镜三维重构成像技术的发展目标是使其可以精确地、全方位地和定量地表征材料内部纳米结构。目前三维重构成像技术只能在特殊材料情况下取得原子分辨率和微结构的定量表征，其主要原因是重构方法的不完善。本项目拟研究发展定量三维成像和原子分辨率三维成像新方法，其可以应用于实际材料中（1）第二相小颗粒体积分数、面分数和三维分布等参数的精确测量表征，（2）原子分辨率的三维原子成像表征，如高熵合金中的原子排列情况。另外，本项目还将探讨利用波函数重构结合倾转系列像实现三维电子全息成像的新方法。本项目的相关研究成果可以使得材料学家在更高分辨率下定量地研究材料内部的微观结构。

随着科学技术的发展，透射电子显微镜在投影平面上的分辨率已经达到亚埃尺度，并实现了原子尺度的元素成分分析。然而，在沿着电子束方向原子的排列和种类仍然无法精确测量。透射电镜三维重构成像技术可以在三维空间测量材料结构、成分、分布等信息，因此是电子显微学研究和发展的重要方向。本项目以透射电子显微镜三维重构成像技术为对象，着重研究现有三维重构方法在重构块状样品时存在明显假象的问题，即缺失锥伪像和低分辨率，旨在提高电子三维重构成像技术在材料研究中的可用性、实用性，以及拓宽该技术的应用范围。主要研究进展包括：（1）研究和发展了定量三维重构成像新方法，并将其应用在AlZnMg合金和纳米材料研究中；（2）利用神经网络技术抑制透射电镜三维重构成像中普遍存在的缺失锥伪像；（3）提出了一种原子分辨率三维重构方法iSIRT，实现了原子分辨率的三维重构，并抑制了缺失锥的影响；（4）实现了用晶体材料测量像差以获得原子分辨率的相位像；（5）利用三维重构测定Si颗粒中Al(Cu)纳米颗粒的结构；（6）在AlErScZr合金中实现了块状样品的原子分辨率三维重构成像。本项目的研究结果为解决三维重构技术的发展瓶颈问题提供了新思路和新方向。