TEM 三维重构技术

TEM 三维重构的基本原理示意图
TEM 三维重构操作步骤
在纳米材料领域应用实例
实例1：表征材料的立体空间形貌－ 纳米球包裹纳米纤维
当合成纳米球并包裹纳米纤维 时，无法从TEM 的二维图片直观 地判断纳米纤维是否均匀的分布 在纳米球上，利用三维重构可以 从立体空间形貌上判断合成后材 料的均匀程度； 通过三维重构可以判断，样品 为海胆状、分布均匀的球，直径 100nm 左右，沿着球面均匀伸出 纳米线，纳米线的末 端接有纳米颗粒。
TEM 三维重构技术
TEM 三维重构技术是电子显微术、电子衍射与计算机图像处理相 结合而形成的一种有效且高分辨率的三维重构方法，用以表征材料三 维空间结构。 TEM 三维重构的基本原理基于中心截面定理：任何实空间的三维
物体沿电子束方向投影的傅立叶变换是该物体所对应的傅立叶空间中
通过中心且垂直于投影方向的一个截面，换言之，只要收集样品在不 同方向的投影或同一样品在不同角度的投影，对每张Fra Baidu bibliotek影图进行傅立 叶变换，按照投影方向填充到三维傅里叶空间对应的切面，再进行反 傅立叶变换，就可得到实空间的三维结构。
TEM 模式下分别倾转( a) － 62°，( b) 0°，( c) +60°Xplore 软件采集的二维图像;d: 重构得到的三维模型; e: 二氧化硅球内部孔道示意图Bar = 100 nm
大规模的数据量是三维重构至关重要必不可少的 另一因素，决定了TEM 三维重构的计算量非常巨大。 目前所有的重构软件都是在牺牲图像分辨率的前提下 完成三维重构的巨大计算量，如何在不牺牲分辨率的 情况下，选用高性能计算技术将上百张图像进行重构 也成为研究三维重构的热点。
TEM 模式下分别倾转( a) － 62°，( b) 0°，( c) + 60° Xplore 软件采集的二维图 像;d: 重构得到的三维模型Bar = 50 nm
实例2：表征材料显微组织之间的相对位置
在纳米管中填充金属颗粒相对改 善纳米管的性能有明显的作用。但 金属颗粒是否被真正填充到纳米管 中，还是附着在纳米管的表面，从 TEM 的形貌观察中无法确认。利 用三维重构，可以从不同角度观察 金属颗粒的位置，确定是否真正完 成了在纳米管中的填充。 通过合成的录像( movie) 可以明 显的判定金属颗粒包裹在碳纳米管 内部。
TEM 模式下分别倾转( a) － 60°，( b) 0°，( c) + 60° Xplore 软件采集的二维图 像;d: 重构得到的三维模型Bar = 50 nm
实例3: 表征材料显微组织结构内部孔道信息
简单的纳米空心球在TEM 下 通过调节得到合适的衬度可以显 示出空心的位置和尺寸，但观察 具有孔道的空心球时，孔道的结 构在二维的图像中就会掩盖空心 部分的显现，极易造成显微组织 结构信息判断的失误。通过三维 重构后利用Amira 软件模拟还 原三维立体图，就可以直观的反 映出空心球内部孔道信息。 样品为具有孔道结构、直径约 为150 nm 的二氧化硅球，经三 维重构后Amira 软件模拟出二 氧化硅球内部的孔道信息，如图 7e，二氧化硅球是空心的，孔道 分布呈现发散状，但不规则