近年来随着球差校正器性能的提高和多探头的应用，扫描透射（STEM）成像技术得到了快速的发展。例如在最新的SCORR球差校正器的帮助下，用户不但可以在300 kV工作电压下实现60 pm的分辨率，而且在60 kV工作电压下也可以实现96 pm的分辨率。而且通过配备BF，DF2，DF4，HAADF探头，可同时获得质厚衬度像，衍射衬度像及原子序数衬度像。其中由HAADF探头获得的原子序数衬度像由于具有图像可直接解读，能够在一定程度上区分不同原子序数的原子的特点，而应用最为广泛。

1.STEM技术在应用中遇到的两个瓶颈

STEM技术虽然获得了快速的发展，但是在实际应用中存在两个突出的瓶颈，即轻重元素原子的同时成像问题和对电子束敏感材料的成像问题，从而制约了STEM技术在材料研究中的应用。

a)轻重元素原子的同时成像问题

铁电铁磁陶瓷和高温超导体的性能与其内部轻元素原子的空位和缺陷有关，因此能否借助透射电镜直接观察到轻原子是材料研究中的关键一环。现有的STEM技术，虽然利用HAADF探头获得的原子序数衬度像可用于区分重原子，但是对于C，N，O等轻原子却杯水车薪，因为在大部分情况下会由于信号过低而无法“看到”这些轻元素的原子。虽然使用STEM中的ABF像可以“看到”这些轻原子，但是又带来了ABF图像无法直接解读，需要通过模拟计算确认，以及对样品厚度要求高，图像信噪比不佳等问题。

b)对电子束敏感材料的成像问题

一些重要的功能材料对电子束非常敏感。例如分子筛和MOF材料通常只能承受几百到几千个电子的辐照，表现为“来不及聚好焦就照坏了”。通常可以通过降低电子束束流（剂量）的方法，来实现STEM成像，但是操作难度大，同时所获得的图像信噪比低，难以分辨关键细节。

2.iDPC技术及其特点

为解决上述问题，赛默飞提出并发展了iDPC这一全新的STEM成像模式，借助多分区探头采集数据和优化算法实现了对材料中轻重元素原子的同时成像[1]，并大幅度改善了对电子束敏感材料的成像质量[2]，在原子尺度实现了对关键细节的分辨。

在1970年代，研究人员已经发现会聚束衍射花样的质心在样品的不同区域会发生移动，移动的方向和幅度与样品的投影内势的分布具有线性相关性。据此科学家和工程师利用分区探头，在STEM模式下对样品进行扫描，获得了花样质心在X，Y两个方向的移动数据，进一步对其进行二维积分就可以获得近似描述样品投影内势分布的图像。因为内势的分布又与样品内部原子的种类和具体位置直接相关[3]，因此就可以通过这种方法“看到”不同原子的具体位置。这一成像技术就是iDPC技术（图 1）。

图1 iDPC成像技术

实验数据和理论分析（图 2）表明iDPC图像具有以下两大显著特点：

a)图像易解读：具有类似于HAADF像的原子序数衬度，图像衬度受欠焦量和样品厚度影响较小。

b)信噪比高：等效于利用了所有电子参与成像，即使在极低剂量下也可保证较高的信噪比。

图2 BF和iDPC成像技术对不同元素原子的成像衬度[4]

3.iDPC应用实例

图3 Ba2NaNb5O15的HAADF像和iDPC像[4]

iDPC技术的一个优势是能够实现轻重元素原子的同时成像。图 3是钨青铜结构无铅压电陶瓷Ba2NaNb5O15 的HAADF像和iDPC像，在HAADF像中可以清晰地观察到Ba，Nb和Na原子，但是无法直接观察到O原子。而在iDPC图像中，元素之间的衬度差异得以降低，因此可以清晰的看到O原子的具体位置。

图4 GaN [211]的HAADF像和iDPC像[1]

图5 Ni/YSZ界面的iDPC像[5]

借助Themis Z球差矫正透射电镜，用户不但可以在STEM的HAADF模式下分辨间距为63 pm的Ga原子，而且借助iDPC技术还可以看到Ga原子右侧同样间距为63 pm的两个O原子（图 4）。从而实现了高分辨下轻重原子的直接分辨。图 5为iDPC在研究Ni/YSZ界面上的应用，将界面处Ni，Zr和O原子的分布情况清晰地展现了出来。

图6 石墨烯HAADF像及iDPC像a

石墨烯的高分辨STEM像是检验电镜低电压性能的重要参考。借助Themis Z球差校正电镜，用户可以在低电压STEM的ADF模式下获得高质量的石墨烯高分辨像，如图 5所示。同时借助iDPC技术，可以进一步显著提升图像的信噪比，使得图像质量更上一层楼。是研究二维材料的得力工具。

图7 分子筛ZSM-5的低剂量ADF像及iDPC像b

分子筛是一种重要的化工材料，但同时也是一种对电子束非常敏感的材料。采用正常剂量拍摄，会损伤其结构，无法获得其真实的结构。因此通常需要使用低剂量成像，而采用低剂量STEM的HAADF或ADF技术获得的图像信噪比极低，以致无法分辨具体的细节（图 6左图）。在同样条件下，切换到iDPC模式，即可得到清晰的分子筛高分辨像（图 6右图）。因此，iDPC技术的出现大幅度改善了对电子束敏感材料的成像质量，解决了类似材料的成像问题，这也是iDPC技术的另一优势所在。

4.总结

iDPC成像技术的出现，解决了目前STEM成像模式的两大瓶颈，该技术实现了轻重元素原子的高质量同时成像和对电子束敏感材料的高质量成像。同时iDPC图像具有图像易解读，信噪比高的优点，是研究轻元素占位，二维材料，分子筛等材料的有力工具。iDPC成像技术现已无缝集成在Themis Z球差矫正透射电镜及Talos场发射透射电镜上，实现了iDPC图像的在线实时采集和显示。国内首批用户已借助iDPC成像技术获得了高质量图像（图 5和图 6）。

5.参考文献

1.Yücelen, E., I. Lazi?, and E.G.T. Bosch,Phase contrast scanning transmission electron microscopy imaging of light and heavy atoms at the limit of contrast and resolution.Scientific Reports, 2018.8(1): p. 2676.

2.Ma, Y., et al.,The influence of straight pore blockage on the selectivity of methanol to aromatics in nanosized Zn/ZSM-5: an atomic Cs-corrected STEM analysis study.RSC Advances, 2016.6(78): p. 74797-74801.

3.Lazi?, I., E.G.T. Bosch, and S. Lazar,Phase contrast STEM for thin samples: Integrated differential phase contrast.Ultramicroscopy, 2016.160: p. 265-280.

4.Lazi?, I. and E.G.T. Bosch,Chapter Three - Analytical Review of Direct Stem Imaging Techniques for Thin Samples, inAdvances in Imaging and Electron Physics, P.W. Hawkes, Editor. 2017, Elsevier. p. 75-184.

5.Nahor, H., et al.,Discerning interface atomistic structure by phase contrast in STEM: The equilibrated Ni-YSZ interface.Acta Materialia, 2018.154: p. 71-78.

a.Image obtained on Thermo ScientificTMThemis 60-300, Courtesy of Dr. Zhibo Liu, Institute of Metal Research, CAS

b.Image obtained on Thermo ScientificTMThemis 30-300, Courtesy of Dr. Xiao Chen, Department of Chemical Engineering, Tsinghua University

上部分正文完

学习笔记：

上文中介绍的透射电镜iDPC技术，让人很快联系到光学显微术中的相衬显微镜，两者明显是异曲同工的；世界上从来就没有非衍射光，光都是衍射的，平行光也是衍射的结果。平行光之所以是平行光，是因为光斑之外的区域都基本上被干涉相消了。平行光经过透镜后汇聚于一点，是因为经过透镜后平面光变成了球面光，最终汇聚于球心，在球心处来自各个方向的光具有同样的相位。成像系统中，在像平面，来自“物”上各点最终汇聚在对应的点处，来自各个方向的光向像平面上成像点汇聚的过程中，相位最终变得一致。

光学显微镜的照明光在通过透明样品后，因光强变化很小，导致成像无法被直接观察到，但由于样品的成分，密度的不同，会使得光线穿过时产生不同的相位移动。相衬显微镜本质上就是利用这种相位移动进行成像，而这类样品也称为相位样品。如果是理想的相位样品，用常规成像系统，理论上在像平面是什么也看不到的，但是，各点的相位差与样品相同。那么思路就来了：引入相位可调的平行光，在像平面处发生干涉，调节相位的过程中，最终把某些地方调成全黑（如果幅度也可以调节的话），对比度当然就出来了。可能采用的方法是合束镜片。上面这些是看完iDPC技术联想到的，但是实际的相衬显微镜并没有这样做。理解实际的相衬显微镜，不得不用到些数学的公式；这里，只有Okan的书最清楚。

相衬显微术的核心是要将到光线通过样品时产生的相位差变化，转换成光强变化，从而能被探测器探测到，而转换的方法就是利用光的干涉。相衬显微镜的原理非常简洁精妙，实现的效果却令人印象深刻。相衬显微镜是生物学研究中最常用到的显微镜，生物学研究经常要观察又薄又透明的样品，比如细胞，因为太薄，太透明，这种样品在普通的光学显微镜下往往是很难直接看到的。我们在中学生物实验中观察细胞的时候，往往使用某种特定染料对细胞染色，或者直接观察有颜色的细胞，比如洋葱表皮细胞。然而对实际生物学研究中我们需要一种可以不进行处理而直接对细胞进行观察的方法，相衬显微镜很好地解决了这个问题。 

A:普通明场显微镜效果 B:相衬显微镜效果

作为科学研究的利器，新的技术手段革新，往往让科研工作如虎添翼。在电镜领域，球差校正器的横空出世，直接将(S)TEM的分辨率推向亚埃级尺度。这使得科学家对各类单原子图像的表征“一下子”变得“容易”了不少；在学术乃至工业领域，一系列相关成果报道一时涌现。但随着对球差校正（扫描）透射电镜应用的逐步“大众化”，“能”观察到原子及相关信息已经逐渐不能满足前沿科学家的需求，能观察到“更多”原子及相关信息成为科学家当下的夙愿。

而实现“更多”，首先就面临上文中所提到的两个技术瓶颈：一是、现有STEM技术无法观察到“更多”轻元素原子，实现轻、重原子同时成像。比如广泛应用的HAADF探头由于侧重于采集高角卢瑟福散射信号,低角散射信号过低，无法“看到”C、N、O等轻原子；STEM的ABF像可以“看到”，但又带来ABF图像无法直接解读需要模拟计算确认、对样品厚度要求高、图像信噪比不佳等问题。而在某些研究中，观察到轻原子是至关重要的，如研究轻元素原子空位和缺陷就是保证铁电铁磁陶瓷和高温超导体性能的关键因素。二是、对电子束流敏感的材料成像无法观察到“更多”关键信息。一些重要的功能材料对电子束非常敏感，常常通过降低电子束束流（剂量）的方法实现STEM成像，但这种操作难度大，同时图像信噪比低，难以获得“更多”关键信息。

所以，在以上背景下，针对用户“更多”原子信息需求，在电镜上加载iDPC这一STEM成像模式技术成功解决了观察“更多”的两个技术瓶颈。此技术也为诸多科学家带来福音，迅速得到大家的追捧，并协助获得诸多新的科研成果并顶刊报道。

上文中提到的1970年代的一个理论帮了大忙，便是“会聚束衍射花样的质心在样品的不同区域会发生移动，移动的方向和幅度与样品的投影内势分布具有线性相关性，而投影内势又与样品原子信息直接相关”。iDPC技术则巧妙借助多分区探头和优化算法，实现了将花样质心的移动信息间接展现出样品的原子位置信息。由于花样质心移动信息通过STEM扫描模式即可获取，iDPC便使球差校正扫描透射电镜捕获原子信息的能力得到了“放大”。这个“放大”使得iDPC技术可实现对材料中轻、重元素原子同时成像，并大幅度改善了对电子束敏感材料的成像质量。

除了光学显微镜中的相位差分衬度成像，其实扫描电镜也有相近思路的技术。近年来，科研对获取高分辨率下的敏感样品原子尺度的横向信息成像和材料对比度的兴趣一直在升高。解决方案的一方面来自于降低入射电子能量有助于减少样品损伤，另一方面，电子束和样品的对撞交互量减小了，从而增加来自背散射电子信号的横向信息。然而，低压状态下的入射电子束能量，对电子光学来说却是增加电子的波长，于提升分辨率不利。所以，电子光学必须通过校正球面和轴向色差来完成这项任务。Zeiss在2013年前后曾提出一种叫mirror corrected镜面校正的扫描电镜电子光学方案，可以使用能量远低于1keV的电子束，而提供高分辨率分析，更可以对非常敏感的材料成像，还能具有高效的生产力。常识告诉我们，在这个级别的低能量成像中，传统方案的分辨率通常都会比较差，但这套独特的方法发现，通过electron mirror电子镜补偿物镜的初级像差，进行像差校正，则可以显著提高分辨率，特别是对于低能量的入射电子束。这套解决方案，也是利用了对电子束相位差分的补偿来改善成像的；这与光学的相衬显微术，和这篇中讲的集成式差分相位反差iDPC，是殊途同归的。

iDPC应用案例1: 实现轻（氧原子）重原子同时成像

清华大学材料学院朱静教授课题组、物理系段文晖教授课题组及薛其坤教授课题组在材料领域权威期刊《Advanced Functional Materials》上联合发表了题为“掺杂氧原子在铋锶钙铜氧超导氧化物中的直接观察”的研究成果。研究利用iDPC技术，直接在原子尺度上观察到了Bi2Sr2CaCu2O8+δ中掺杂氧原子的位置（如下图所示）。结果表明，室温下掺杂氧原子位于BiO和SrO原子层中间的张应力区域，并呈现不均匀分布，有的区域出现成对氧原子，有的区域呈现单个氧原子。该工作为超导机制的理解提供了帮助。

超导Bi-2212中掺杂氧原子的iDPC像 (a)Bi-2212[010]带轴的iDPC像 （b, c）Bi2212的原子结构模型和基于原子模型的像模拟 （d, e）掺杂氧原子在不同位置的不均匀分布。

iDPC应用案例2: 对电子束敏感敏感多孔材料客体分子高分辨成像

阿卜杜拉国王科技大学KAUST韩宇教授团队与浙江工业大学朱艺涵教授、中科院大连化物所的郭鹏研究员，重庆大学的张大梁教授等人合作在Angew发表成果，利用最新的iDPC高分辨成像技术，在实空间内直接观察到了分子筛中的客体分子，实现了对敏感多孔材料中客体分子的高分辨成像，为研究电子束敏感的孔材料中主体-客体在原子级分辨率的相互作用提供了一种新的方法，具有重要意义。

吸附了 VOC 的 Silicalite-1分子筛：(左) HAADF 图像；（右）iDPC 图像。

小结一下的话，就是由于集成式差分相位反差iDPC技术从根本上解决了STEM需要获得“更多”原子信息的两项瓶颈，巧妙设计操作上只需首先在STEM模式下对样品进行扫描，然后对获取移动数据二维积分，进而获得原子信息。随着iDPC技术迅速成为学术领域技术热点，以及该技术在轻元素占位、二维材料、分子筛、超导体等领域的应用潜力，工业市场分享这项优秀技术的应用也将为时不远。（完）