Challenge Issues in Transmission Electron Microscopy
在过去几十年里，人们以提高电镜分辨率为主要发展目标并取得了显著的成绩。电子显微镜的核心是电磁透镜，其中，透镜球差和色差是限制电镜分辨率提高的主要因素。球差校正(Cs/Cs-corrected)电子显微术和高分辨显微图像处理都致力于亚埃电子显微学的发展，近期取得了很大的进展。
实验结果表明，在球差校正模式下，电子显微镜不但可以达到高分辨率(目前已经突破1.0Å)，还可以显著改善高分辨图像的整体质量减少衬度离位。亚埃电子显微镜的发展成功转移了人们对许多尚未解决的基本问题的注意力，但是这些问题在未来电子显微学发展中需要进一步解决。
首先，理论图像模拟和实验得到的显微像衬度相差很大。在早期使用照相胶片的定量研究中，绝对强度很难测量，并且模拟像的衬度只能通过简单的成比例调整来跟实验显微像相吻合。采用慢扫描CCD相机的定量研究能给出显著的衬度差，其因子一般为3，尽管对Si样品的详细研究发现依赖于焦距的失配因子(大约为1.5~2.3)。对衬度差的影响因素中未充分考虑的表面污染和非弹性散射导致将需要更大的努力来确定影响Stobbs因子的因素。关于热漫散射，至少在能量过滤像和离轴电子全息相结合的实验中已经涉及了一部分。
其次，样品与电子束之间的相互作用在电子显微镜中是永远存在的，因此在成像，特别是微区分析的过程中，试样形态总是可能被永久性地改变。这一问题在生物电子显微学中更为突出。为了解决这一问题，近期低温透射电镜技术得到了很大的 关注，低温透射电镜技术表征材料的优势在于：有利于分析对电子束辐照敏感、易损伤变化的生物样品；改善生物样品表面积累的静电荷造成的图像畸变；减小样品漂移。
其中，膜蛋白分子结构的研究是多年来的研究热点。提高分辨率到 2Å 以下是低温电镜成像技术的追求目标。低温成像与电子晶体学技术比较适用于膜蛋白分子形成的二维晶体，尤其适用于X射线晶体学难以解决的三维生物分子晶体结构。本领域近年来的研究热门问题还包括：天线蛋白结构，水通道蛋白AQP1的原子结构模型，薄三维纤维蛋白晶体结构的测定，细胞微管结构，病毒双链DNA分子的空间构型的测定。
值得注意的是，为了在实验中得到高分辨的图像，需要应用更高的放大倍数，因为电流密度随着放大倍数的平方增大而增加，所以高放大倍数意味着更大的电流密度，也就意味着更高的损伤概率。因此，成像的放大倍数和电流密度显然应该尽可能保持在相对较低的水平，并且，应该特别关注实验中式样结构变化的征兆以避免错误的结果出现。在原子尺度显微分析过程中，特别是在存在生物样品、氧化物或者界面的情况下，由高度聚焦的电子束所带来的结构变化发生的可能性更大。
电子显微镜单色器技术的发展大大提高了电子能量损失谱分辨率。高能入射电子与样品发生非弹性散射后，样品中电子吸收能量能跃迁到高能级，通过测量透射电子的能量损失，从而得到对应于样品激发谱的电子能量损失谱(EELS)。其非弹性散射过程主要包括声子激发、等离子激发、带间跃迁、内壳层电子激发，以及二次电子、轫致辐射等。与其他探测电子结构信息的能谱相比，透射电子显微镜(TEM) 中的EELS谱的优势在于具有很高的空间分辨率，特别是对研究纳米器件，如纳米颗粒、纳米线、量子点和多层膜等。
器件和材料的物理性能往往与材料中的位错、层错、晶界和畴界，以及各层之间的界面密切相关。这些缺陷和界面不可避免地会导致空位、杂质的偏析和原子的重排，从而产生局域电子态。理解这些系统的物理性能需要在原子尺度内对局域原子结构和电子结构进行表征。在透射电子显微镜中结合Z衬度像和电子能量损失谱，通过足够小的束斑(0.1nm)严格控制电子束位置，就能很好地使局域电子结构和原子结构以及成分特征关联起来。
随着透射电子显微镜仪器的改进和各种实验方法的发展，使用亮度高、相干性好的场发射电子枪，并配备有球差校正器和单色器时，其能量分辨率和空间分辨率都得到了很大提高。能量分辨率在束斑为 2.0nm 时可达 0.1eV，或在束斑为 0.2nm 时为 0.5eV，这在很大程度上提高了EELS 谱的灵敏度和分辨率。但是最佳空间分辨率和最高能量分辨率往往不能同时达到，当单色器开启的时候，能量分辨率的提高对空间分辨率带来负面影响，这是由于虚光源的位置不允许聚光镜系统到达最小束斑所必需的缩小程度。在TEM中，EELS谱的测量受很多因素的影响，有些是仪器本身和外部环境所引起的。
洛伦兹透镜和电子全息结合的技术可以进一步提高探测微小电磁场的分辨率，结合对电子全息图的重构软件可以进一步给出磁畴内部磁力线的分布。离轴电子全息技术对固态材料内部电磁内电势的分布非常敏感，可以在很高的分辨率下(<1nm) 直观给出磁感应强度和磁场方向。电子波与物质相互作用后会产生相位变化，电子波穿过样品时会受到材料内势场的调制。目前国际上电子全息技术主要是用来研究不同材料内部电势、电场、磁场分布，铁电、反铁电极化场等问题，以及追求原子分辨率的材料分析。
由实验得到的散射结果进一步精确反推晶体势函数仍未解决的问题。利用几种重构方法，可以可靠地重新得到出射面波函数，而且，对于很薄的试样，当运动学近似或者弱相位物近似成立的时候，晶体势函数可以由简单的逆傅里叶变换从中提取出来。在多层法的反变换的基础上，一种迭代方法已经被提出。但是，还需要进一步的工作去扩展在非周期波场情况下的厚度极限。一种模拟退火算法被用在闪锌矿结构的GaAs晶体中，使得厚度为5.6nm时成功的重构成为可能，但是厚度为 11.2nm时这种方法不再可靠。多年来，在其他方面，对晶体散射的反推很少有人注意。
总之，对于具有有限厚度的样品，由于晶体散射反演的多重解之间存在相似性，所以未知结构晶体反推过程的唯一性解问题仍然没有得到解决。
参考资料：10000个科学难题”物理学编委会.10000个科学难题,物理学卷,Physics[M]. 科学出版社, 2009
来源于老千和他的朋友们，作者
赵工
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