高分辨透射电子显微学 基本原理和应用技术-天津大学
高分辨透射电子显微分析技术
(a)反映了晶体中 重原子或轻原子 列沿电子束方向 的势分布；（b） 是电子显微像上 强度的分 布，可 知 ( x, y) 具有比1小得多的 值。 由于重原子列具 有较大的势（(a) 中心峰高），像 强度弱（负峰）。 可见（a）（b） 反映了由试样中 轻重原子的差异 所带来的像上衬 度的差异。
左上插图是结构原子 位置模型示意图。照 片上相应于重原子Tl 和Ba的位置出现大黑 点，而环绕它们的周 围则呈现亮的衬度。 插图中从最上一个Ba 原子到最下一个Ba原 子之间的4个Cu原子 和3个Ca原子和它们 的周围通道也呈亮衬 度。
Tl 系超导氧化物的高分辨电子显微像 TlBa2Ca3Cu4O11粉碎法制备,400kV电 子显微镜,沿[010]入射
7高分辨电子显微学
主要内容
7.1引言 7.2高分辨电子显微成像原理 7.3高分辨电子显微观察和拍摄图形的程序 7.4高分辨电子显微方法的实践和应用
7.1引言
概念：高分辨电子显微术是运用相位衬度成像 的一种直接观测晶体结构和缺陷的技术。 历史：1956年门特用分辨率为0.8nm的透射电 子显微镜直接观察到酞箐铜晶体的相位衬度像 这是高分辨电子显微学的萌芽；在20世纪70年 代，解释高分辨像成像理论和分析技术的研究 取得了重要进展；实验技术的进一步完善,以 及以J.M.Cowley的多片层计算分析方法为标志 的理论进展,宣布了高分辨电子显微学的成熟.
像模拟方法：此法先假设一种原子排列模型， 然后根据电子波成像的物理过程进行模拟计算， 以获得模拟的高分辨像。如果模拟像与实验像 相匹配，便得到了正确的原子排列结构像。
7.2高分辨电子显微成像原理
下面介绍几个基本概念 衬度传递函数T(H)：是一个反映透射电子显微 像成像过程中物镜所起作用的函数，它是一个 与物镜球差、色差、离焦量和入射电子束发散 度有关的函数。一般来说，它是一个随着空间 频率的变化在+1与-1间来回震荡的函数。 相位体（phase object):电子波与物体作用后 如果只改变波的相位而波振幅不变，这种物体 成为相位体，反之称振幅体。
hrtem的原理和应用
HRTem的原理和应用1. 什么是HRTemHRTem是指高分辨率透射电子显微镜（High-Resolution Transmission Electron Microscopy）的简称，是一种基于透射电子显微镜的高分辨率成像技术。
通过利用透射电子束与样品相互作用的原理，HRTem可以获得非常高的空间和能量分辨率，从而实现对材料微观结构的观察和分析。
2. HRTem的原理HRTem利用了透射电子束的特性，通过对样品进行照射并记录透射电子的强度和散射情况，从而得到样品的高分辨率图像。
其主要原理包括以下几个方面：•透射电子束的成像原理：透射电子束穿过样品后，与样品中的原子或电子相互作用，发生散射、吸收等过程。
透射电子束通过电子透镜的聚焦，最终形成在衍射器平面上的衍射图样。
通过对衍射图样的分析，可以得到样品的高分辨率图像。
•透射电子的探测方式：HRTem采用了高灵敏度的电子探测器，可以记录透射电子的强度、速度和能量等信息。
通过对这些信息的采集和处理，可以得到样品微观结构的详细信息。
•电子镜系统的参数调节：为了获得高分辨率的成像，HRTem需要调节电子束的聚焦度、透射电子的能量和衍射模式等参数。
这些参数的调整需要经验和专业的知识，以保证成像的清晰度和精度。
3. HRTem的应用HRTem在材料科学、生物科学等领域有着广泛的应用，可以提供微观结构的详细信息，对研究和开发新材料具有重要意义。
以下是HRTem的几个主要应用场景：•纳米材料的研究：HRTem可以对纳米材料的晶体结构、晶格缺陷、界面性质等进行直接观察和分析。
通过HRTem的高空间分辨率，人们可以研究纳米材料的生长机制、相变行为等微观性质。
•生物材料的观察：HRTem可以对生物材料的超微结构进行高分辨率成像。
研究人员可以通过HRTem观察生物分子的空间构型、组织的细微结构等，从而深入了解生物界面的特性和宏观性能。
•纳米器件的制备与检测：HRTem可以用于纳米器件的制备过程中的原位观察和检测。
透射电镜中的EDS STEM和EELS的原理及应用-天津大学
3、高能损失范围的谱图
高能损失范围：E > 50eV 原子的内壳层电子被激发至费米能级的各个未占 据态所引起的能量损失 高能损失范围谱图: 本底(background)来源于： 多重非弹性散射 前一电离损失峰的尾巴 电离损失峰(absorption edge) E=Ec 元素分析；化学位移可以分析元素价态
电子能量损失谱——EELS的典型谱图
1、零损失峰
信号来源： 入射电子与样品未发生交互作用 入射电子与样品发生弹性交互作用（但不包括大散射角的 Bragg 衍射） 入射电子造成样品中原子振动，声子激发，损失能量小于 0.1eV 零损失峰可用作于：
谱仪的调整
零损失峰的半高宽表征谱仪的能量分辨率
2、低能损失区－等离子损失峰
电子能量损失谱——EELS的典型谱图
样品中电子结构以及能级分布
原子构成固体 时能级的分裂
能带：导带、禁带、满带（价带） 导带中电子可以自由移动而导电、 禁带中不允许存在电子、 满带被电子填满，电子被激发至导 带后即为价带 可用来区分导体、半导体、绝缘体
样品中电子结构以及能级分布（电子只能被激发至 未占据态的能级）
近阈精细结构(ELNES) E=Ec to Ec+50eV
反映样品的能态结构 广延精细结构(EXELFS) E>Ec+50eV 提供近邻原子距离、性质等信息，在 研究非晶态、短程序材料时非常有用
电离损失峰(absorption edge) E=Ec 元素分析；化学位移可以分析元素价态
电离损失峰化学位移 (Chemical shift) 两类原子形成离子晶体，正（负）离子由于失去（得到）电子，使它们的内壳层 电子处于更深（更外）的轨道能级上，电离所需能量更大（小）一些。由此产生edge Ec的位移。
电子行业透射电子显微学
电子行业透射电子显微学引言透射电子显微学是一种重要的技术，被广泛应用于电子行业。
它通过使用高能电子束和特殊的探测器，可以观察和研究材料的微观结构和化学成分。
透射电子显微学在电子行业中有着许多重要应用，如芯片制造、纳米材料研究等。
本文将介绍透射电子显微学的原理、应用和未来发展方向。
1. 透射电子显微学原理透射电子显微学的原理基于电子的波粒二象性和电子与物质相互作用的机制。
当高能电子束通过样品时，它们与样品中的原子和电子发生相互作用，产生散射和吸收现象。
通过测量透射电子的强度和能量分布，可以得到有关样品的信息。
透射电子显微学使用的主要设备是透射电子显微镜（TEM）。
TEM由电子枪、透镜系统、样品台和探测器等部分组成。
电子枪产生和加速电子束，透镜系统用于聚焦电子束，样品台用于固定样品并调整位置，探测器用于检测透射电子。
2. 透射电子显微学应用透射电子显微学在电子行业中有许多重要应用。
2.1 芯片制造芯片是电子产品中最核心的组成部分之一。
透射电子显微学可以提供关于芯片的微观结构和材料的详细信息。
通过观察芯片的晶体结构、材料缺陷等，可以优化芯片制造工艺，提高芯片性能和可靠性。
2.2 纳米材料研究纳米材料在电子行业中有着广泛应用，并具有独特的性质和潜在的应用价值。
透射电子显微学可以帮助研究人员观察和研究纳米材料的结构、形貌和化学成分。
这对于理解纳米材料的性质和优化纳米材料的合成方法具有重要意义。
2.3 薄膜分析薄膜是许多电子器件中常见的材料。
透射电子显微学可以帮助研究人员观察和分析薄膜的结构和性质。
通过了解薄膜的微观结构和成分分布，可以优化薄膜的制备工艺，改善薄膜的性能和可靠性。
3. 透射电子显微学的未来发展透射电子显微学在电子行业中具有重要的地位，但仍然存在一些挑战和发展机遇。
3.1 分辨率提高透射电子显微学的分辨率决定了它对材料微观结构的观察能力。
当前透射电子显微学的分辨率已经非常高，但对于某些纳米材料和探测条件下，仍然存在一定的局限性。
透射电子显微镜的原理
透射电子显微镜的原理透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种利用电子束来观察物质微观结构的工具。
相对于光学显微镜，TEM可以提供更高的分辨率和更大的放大倍数，因此在研究纳米尺度物体和物质的晶体结构等方面具有独特的优势。
下面将介绍TEM的原理以及工作过程。
TEM的主要组成部分包括电子源、电子光学系统、样品台以及探测器。
第一部分是电子源。
TEM使用的是热阴极电子源，通过加热材料产生的电子可以使它们跨越电子能障形成电子束。
电子束的形成需要经过一系列的加速器和准直透镜等装置，以确保电子束稳定的强度和方向。
第二部分是电子光学系统。
TEM的电子光学系统由一个或多个透镜组成，包括准直透镜、磁透镜和目标透镜。
准直透镜用于平行化电子束，磁透镜用于对电子束进行聚焦，目标透镜用于调整电子束的焦距。
这些透镜的组合可以将电子束聚焦到非常小的尺寸上，从而实现高分辨率的成像。
第三部分是样品台。
样品台是放置待观察样品的平台，可以通过控制样品的位置、倾斜角度等参数来调节观察角度和焦距。
第四部分是探测器。
探测器是接收和记录电子束穿过样品时所发生的相互作用的装置，常用的探测器包括像差探测器（Diffraction Contrast Detector）和投影光学探测器（Projection Optics Detector）。
像差探测器可以测量样品中的晶体缺陷和晶体结构，而投影光学探测器可以获得样品的原子分布图像。
TEM的工作过程如下：首先，样品被制成非常薄的切片，并被放置在样品台上。
然后，电子束由电子源发出，并通过光学系统的透镜进行聚焦。
接下来，聚焦的电子束穿过样品，并与样品中的原子和分子发生相互作用。
这种相互作用包括电子-电子相互作用、电子-晶格相互作用和电子-原子核相互作用。
然后，电子束到达探测器，根据不同的探测器可以得到不同的信息。
像差探测器可以根据电子束的衍射来获得样品中的晶体结构信息，而投影光学探测器则可以获得样品的原子分布图像。
透射电子显微镜的原理
透射电子显微镜的原理透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种利用电子束来观察和研究物质的光学仪器。
与光学显微镜相比，透射电子显微镜具有更高的分辨率，能够观察到更小尺寸的物体和更细微的结构。
1.电子源：透射电子显微镜使用热阴极或冷场发射阴极作为电子源。
热阴极通过电子加热产生热电子，冷阴极则利用材料的特殊电子发射特性产生电子束。
2.透镜系统：透射电子显微镜使用一系列电磁透镜来控制和聚焦电子束。
其中包括准直透镜、对焦透镜、物镜透镜和投影透镜。
这些透镜通过调节电流和电压来控制电子束的聚焦和成像。
3.样品台：样品台是支撑和处理样品的平台。
它通常具有位置调节和倾斜功能，以使得样品的成像角度和位置能够被调整。
4.探测器：透射电子显微镜使用不同的探测器来测量透射电子的强度和散射电子的角度。
最常用的探测器是透射电子探测器和散射电子探测器。
5.图像显示系统：透射电子显微镜的图像显示系统通常由CCD摄像机和显示器组成。
CCD摄像机将透射电子的信号转化为电信号，并通过计算机处理后在显示器上显示。
透射电子显微镜的分辨率取决于电子波长。
与可见光相比，电子具有更短的波长，能够给出更高的分辨率。
透射电子的波长约为0.004纳米到0.1纳米，比可见光的波长小3个数量级。
因此，透射电子显微镜能够观察到比光学显微镜更小的物体和更细微的结构。
透射电子显微镜的应用广泛，包括材料科学、生物学、纳米技术等领域。
在材料科学中，透射电子显微镜可以用来观察和研究材料的晶体结构、晶格缺陷以及元素分布等。
在生物学中，透射电子显微镜可以用来观察和研究生物分子的结构和细胞的超微结构。
在纳米技术中，透射电子显微镜可以用来观察和研究纳米材料和纳米器件的性质和性能。
总而言之，透射电子显微镜通过利用电子束来观察和研究物质的原理，具有较高的分辨率和广泛的应用领域。
它在科学研究和工业生产中发挥着重要的作用，为我们提供了深入认识和理解微观世界的工具。
透射电子显微镜的原理及应用
透射电子显微镜的原理及应用一．前言人的眼睛只能分辨1/60度视角的物体，相当于在明视距离下能分辨0.1mm 的目标。
光学显微镜通过透镜将视角扩大，提高了分辨极限，可达到2000A 。
光学显微镜做为材料研究和检验的常用工具，发挥了重大作用。
但是随着材料科学的发展，人们对于显微镜分析技术的要求不断提高，观察的对象也越来越细。
如要求分表几十埃或更小尺寸的分子或原子。
一般光学显微镜，通过扩大视角可提高的放大倍数不是无止境的。
阿贝（Abbe ）证明了显微镜的分辨极限取决于光源波长的大小。
在一定波长条件下，超越了这个极限度，在继续放大将是徒劳的，得到的像是模糊不清的。
图1-1（a ）表示了两个点光源O 、P 经过会聚透镜L ，在平面上形成像O ，、P ，的光路。
实际上当点光源透射会聚成像时，由于衍射效应的作用在像平面并不能得到像点。
图1-1（b ）所示，在像面上形成了一个中央亮斑及周围明暗相间圆环所组成的埃利斑（Airy ）。
图中表示了像平面上光强度的分布。
约84%的强度集中在中央亮斑上。
其余则由内向外顺次递减，分散在第一、第二……亮环上。
一般将第一暗环半径定义为埃利斑的半径。
如果将两个光源O 、P 靠拢，相应的两个埃利斑也逐渐重叠。
当斑中心O ，、P ，间距等于案例版半径时，刚好能分辨出是两个斑，此时的光点距离d 称为分辨本领，可表示如下：αλsin 61.0d n = （1-1） 式中，λ为光的波长，n 为折射系数，α孔径半角。
上式表明分辨的最小距离与波长成正比。
在光学显微镜的可见光的波长条件下，最大限度只能分辨2000A 。
于是，人们用很长时间寻找波长短，又能聚焦成像的光波。
后来的X 射线和γ射线波长较短，但是难以会聚聚焦。
1924年德布罗（De Broglie ）证明了快速粒子的辐射，并发现了一种高速运动电子，其波长为0.05A 。
，这比可见的绿光波长短十万倍！又过了两年布施（Busch ）提出用轴对称的电场和磁场聚焦电子线。
超高分辨率电子显微镜的原理与应用
超高分辨率电子显微镜的原理与应用电子显微镜是一种非常重要的现代仪器，它能够让我们观察到通常难以看到的微观世界。
超高分辨率电子显微镜（Ultra-High Resolution TEM）是电子显微镜中分辨率最高的一种，它能够让我们以前无法想象的方式观察到微观结构。
本文将详细介绍超高分辨率电子显微镜的原理和应用。
一. 超高分辨率电子显微镜的原理超高分辨率电子显微镜的原理基于单个原子散射电子的相位和振幅，这些电子透过样品时会发生不同的散射。
相干电子衍射是一种技术，在这种技术中用原子散射事件产生的相干电子束照射样品。
束发射的强度和相位在样品内部发生变化，导致电子从样品中折射和散射。
相干衍射用于研究单个原子间的距离和结构，因此可以在原子水平上观察到样品的显微结构。
这些散射电子被透镜收集和聚焦成图像，显示出样品的结构。
二. 超高分辨率电子显微镜的应用1. 研究生物大分子超高分辨率电子显微镜可以用于观察和研究生物大分子，如蛋白质、DNA和RNA，因为这些分子的尺寸非常小。
随着技术的发展和改进，超高分辨率电子显微镜能够观察到约0.1纳米的细节，这意味着可以观察到大分子中的单个原子。
这种能力让研究人员更好地理解这些分子的构成和功能。
2. 研究材料科学超高分辨率电子显微镜也可以用于研究材料科学。
在材料科学中，超高分辨率电子显微镜可用于观察材料的表面和内部结构，以及研究它们的物理和化学性质。
例如，它可以用于观察纳米材料的形态、大小和晶格结构，这对于生产更高效的材料和更强的材料非常有用。
3. 研究纳米技术纳米技术是一种新颖的技术，它利用微小的物质结构制造新的材料和器件。
超高分辨率电子显微镜可以用于研究纳米技术的许多方面。
例如，它可以用于观察和研究纳米粒子和材料的结构，以及研究它们的性质。
此外，它还可以用于观察和研究纳米器件，如纳米管和纳米线。
4. 研究能源领域超高分辨率电子显微镜在能源领域也有广泛的应用。
它可以用于观察和研究各种能源材料的结构和性质，如太阳能电池、燃料电池和超级电容器。
超高分辨率电子显微镜技术与应用
超高分辨率电子显微镜技术与应用超高分辨率电子显微镜已成为材料科学、生命科学等领域的一项重要辅助技术，它不仅能够观测到物质的微观结构，而且能够精确定位、分离、分析分子，从而对探究物质的性质及其变化规律有着重要作用。
一、超高分辨率电子显微镜的基本原理超高分辨率电子显微镜是基于透射电子显微镜的技术发展而来，其原理是利用高能电子穿过物质产生的衍射现象，通过衍射图样反推原始的物质信息，从而得到超高分辨率的物质结构。
超高分辨率电子显微镜与透射电子显微镜相比，它在电子束产生、样品制备、检测系统等方面进行了大量改进，可以获得更高的分辨率、更精确的成像等优势。
二、超高分辨率电子显微镜的技术特点1. 高分辨率成像能力。
超高分辨率电子显微镜能够射入极小的高能电子束，从而获得更高的分辨率和更精确的物质结构。
2. 精准的控制系统。
针尖样品固定、电子束焦距调节等控制系统设计更先进、更高效，从而保证成像过程的准确性。
3. 更加智能的成像模式。
超高分辨率电子显微镜能够实现多种成像模式，包括高角度成像模式、电荷成像模式、单晶模式等，这些成像模式可以适应不同的样品特征，从而获取更加精确的成像结果。
三、超高分辨率电子显微镜的应用领域1. 材料科学。
超高分辨率电子显微镜可以在材料的纳米结构层面探究晶体生长和晶体的微观结构特征，为新材料研究提供理论依据和技术支持。
2. 生命科学。
超高分辨率电子显微镜可以对生物分子进行分析和成像，如在分子水平上研究生物分子结构、功能和相互作用关系等。
3. 物理学。
超高分辨率电子显微镜可以探究物理学的一些经典问题，如高温超导、自旋电子学、能带计算等。
四、超高分辨率电子显微镜的发展前景随着技术的不断革新，超高分辨率电子显微镜的应用迅速扩展，并受到了广泛的关注。
未来，超高分辨率电子显微镜技术将会更加完善，成像分辨率将会得到进一步提升，同时成像速度、自动化等方面也会不断优化。
总之，超高分辨率电子显微镜技术的发展将推动材料科学、生命科学等领域的发展，从而在实践应用中取得更为明显的效果。
高分辨透射电子显微学 基本原理和应用技术-天津大学
衍射面
ψ(x,y)=F-1{F(u,v)}
像面 电子波经过晶体后,携带结构信息q(x,y),经过电子透镜传递干涉成像
像衬1
• 样品很薄 • 出射电子波相位包含了样品的信息，但其振幅没 有变化 • 出射电子波被电镜像差改动不大 • 图像可与样品结构直接对应，称为结构像 • 图像仍是相位衬度像
像衬2
相位物体（Phase-object）
• 散射过程后，入射波的相位改变，但振幅不变 exp(-ik·r) exp(-ik·r-iθ) • 以1表述平面波，则出射波函数 Q(x,y)=exp( -iθ)=exp(-iσφp(x,y)) σ=π/λU作用常数， φp(x,y)投影电势
e − ik •r
e − ik •r −iθ
电子源能量分布0.7～2.4ev 电子源尺寸 30～100μm
Tungsten
0.5 ～2.0ev 5 ～50 μm
LaB6
0.2 ～0.4ev ＜10nm
FEG
时间相干性 空间相干性
（单色性） （平行度）
高分辨像
• 分两大步骤： 散射（样品）和 成像（电镜） • 散射后，入射电子束 被分离成若干束 • 当这些电子束在像面 上再次相逢，就形成 一/二维干涉 条纹
χ
△f>0
△f=0
△f<0
g
弱相位物体
样品出射波：q(x,y)=1-iσφp(x,y) 衍射面波函数： Q(u,v)=[δ(u,v)-i σF{φp(x,y)}]exp[iχ(u,v)] ⊗ 像面波函数： ψ(x,y)=1-i σ φp(x,y) F-1{cos(χ(u,v))+isin(χ(u,v))} 像强度（相位衬度）： I(x,y)=| ψ(x,y)|2≈1+2 σ φp(x,y) F-1{sin( χ(u,v))} 如果 sin(χ(u,v))= -1 那么 I(x,y)=1-2σ φp(x,y）
HRTEM的成像原理及应用
HRTEM的成像原理及应用1. HRTEM的基本原理高分辨透射电子显微镜（HRTEM）是一种非常强大的工具，用于观察物质的原子级结构。
HRTEM的成像原理基于电子与物质之间的相互作用，主要包括以下几个方面：1.电子束的产生和加速：HRTEM使用皂盐型或其他类型的电子枪产生电子束。
电子束经过一系列的加速、聚焦和缺陷校正，形成高能且强度足够的电子束。
2.透射：电子束通过精确控制样品与电子枪之间的距离和角度。
大部分电子束透过样品物质，在此过程中发生衍射和散射。
3.衍射：在样品中，电子束与原子的排列相互作用，产生衍射现象。
根据样品的晶体结构和原子间的距离，产生不同的衍射图案。
4.成像：HRTEM通过收集并记录由样品中传输的电子束产生的衍射图案，并利用这些图案重构样品的原子结构。
最终产生高分辨率的影像。
2. HRTEM的应用领域HRTEM在各个领域都有重要的应用，以下是一些常见领域的应用案例：2.1 材料科学•纳米材料研究：HRTEM可以用来观察纳米材料的晶体结构、形貌和尺寸。
通过观察纳米材料的原子级结构，可以研究其性质和行为，并优化其应用于电子器件、催化剂等领域。
•晶体缺陷分析：HRTEM可以用来对晶体材料中的缺陷进行分析。
通过观察晶体中的位错、孪晶等缺陷，可以改进材料的力学性能、热稳定性等特性。
2.2 生物科学•生物大分子结构研究：HRTEM可以用来研究生物大分子的结构，如蛋白质、核酸等。
通过观察生物大分子的原子级结构，可以揭示其功能机制，并为药物设计和生物工程提供指导。
•细胞超微结构分析：HRTEM可以用来观察细胞的超微结构，如细胞器、细胞膜等。
通过对细胞结构的观察，可以研究细胞的生物学过程、细胞功能和疾病机制。
2.3 纳米器件•纳米电子器件研究：HRTEM可以用来观察纳米电子器件的结构和性能。
通过分析纳米电子器件的晶体结构、界面和缺陷，可以优化器件的性能、稳定性和可靠性。
•纳米材料加工和制备：HRTEM可以用来研究纳米材料的制备和加工过程。
tem的基本原理及应用
tem的基本原理及应用1. tem的基本原理Transmission Electron Microscope（透射电子显微镜，简称tem）是一种高分辨率的显微镜，它使用电子束而不是光束来形成样品的图像。
tem基于透射电子成像原理，可以观察到细微的材料结构和成分。
tem的基本原理如下： - 电子源：tem使用电子束而不是光束来形成图像。
电子源通常是钨丝发射管或场发射枪，通过升压电源和加热装置产生高能电子。
- 准直系统：通过准直集光系统可以调整电子束的直径和形状，以便得到所需的分辨率。
- 对样品的透射：样品位于电子束的路径上，并允许电子通过样品进行透射。
样品通常需要非常薄，通常在纳米尺度以下。
- 透射电子成像：透射电子成像是tem的核心原理，通过搜集透射电子的信号并进行衍射和聚焦，形成样品的高分辨率图像。
2. tem的应用tem广泛应用于材料科学、生物科学和纳米科学等领域，可以揭示材料的微观结构和成分，为科学研究提供重要的信息。
以下是tem的几个主要应用领域：2.1 材料科学•晶体学研究：tem可以观察晶体的晶格结构、缺陷和相界，帮助理解材料的结晶行为和性能。
•纳米材料研究：tem可以观察纳米材料的形貌、尺寸以及纳米颗粒的分布，有助于研究纳米材料的合成和特性。
•薄膜分析：tem可以通过观察薄膜的微观结构和成分，评估薄膜的质量和性能。
2.2 生物科学•细胞结构研究：tem可以观察细胞的超微结构、细胞器和细胞内分子结构，帮助了解细胞的功能和疾病机理。
•生物大分子研究：tem可以通过观察蛋白质和核酸等生物大分子的结构，揭示生物分子的功能和相互作用。
2.3 纳米科学•纳米结构研究：tem可以观察纳米材料的结构和形貌，揭示纳米尺度下的物理和化学性质。
•纳米器件研究：tem可以观察纳米器件的结构和性能，为纳米电子学和纳米器件的设计提供指导。
结论tem作为一种高分辨率的显微镜，具有广泛的应用价值。
它可以揭示材料的微观结构和成分，为科学研究提供重要的信息。
高分辨率电子显微镜的原理与应用
高分辨率电子显微镜的原理与应用高分辨率电子显微镜，简称高分电镜，是一种基于电子束扫描显微镜的高分辨率显微技术。
与光学显微镜相比，高分电镜具有更高的分辨率和更强的深度，可以观察到更小的物质结构和更细微的细节。
本文将介绍高分电镜的原理、分类以及应用。
一、高分电镜的原理高分电镜的原理是基于电子的物理性质。
电子是一种带负电的基本粒子，其波长比光的波长小得多。
当电子射向物体时，会发生散射和反射现象，这种现象可以被用来获取物质结构的信息。
由于电子波长的小特性，高分电镜相比光学显微镜有更高的分辨率，可以观测到更小的细节。
高分电镜基于的物理原理包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜等，这里介绍一种常见的透射电子显微镜原理。
透射电子显微镜的工作原理是通过调节电子束的能量和散射角度，电子束穿透样品表面进入内部，被样品中的原子、分子等物质结构散射和吸收，通过诸如透射、散射、激光等方式记录电子图像的强度分布信息。
在这个过程中，光学透镜被用来聚焦电子束和样品。
通过收集样品上所有位置的透射电子（也就是电子散射后穿过样品的电子），原子和分子之间的空间结构和材料组成，可以得到高分辨率的图像。
二、高分电镜的分类高分电镜按照用途和功能可以分为以下类型：1. 透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是将电子束直接发射到样品之内，检测被样品反射或者透射的电子，得到样品的图像。
TEM 的分辨率大概在 1 埃左右，可以观测到原子尺寸的细节，然而，由于透射电子束在穿过样品时会受到吸收、散射和偏转等因素的影响，因此，解析度还受到分辨差限制。
2. 扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是利用电子束在样品表面形成的二次电子图像获取样品的表面特征。
SEM 适用于材料学、纳米科技和生物学等领域的表面和深度分析，具有较大的深度和高分辨率。
3. 原位电子显微镜（IEM）原位电子显微镜，是一种可以通过对反应的实时电子显微镜成像来定量直接观察化学反应发生过程的技术。
tem的主要原理和基本应用
tem的主要原理和基本应用1. 什么是TEMTEM是透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope）的简称。
它是一种利用高速电子束穿透样品后形成的衍射图样来观察样品内部结构的一种高分辨率显微镜。
TEM的分辨率可以达到纳米级别，能够观察到非常细小的结构和细节。
2. TEM的工作原理TEM工作的基本原理是将电子加速到很高的能量，形成高速的电子束，然后让这束电子束通过样品，电子穿过样品后，会和样品中的原子或分子发生相互作用，产生散射、吸收和衍射等现象。
这些现象通过透射电子显微镜的相应装置可以被捕捉、转化为图像。
2.1 电子源和加速器TEM中的电子源一般使用热电子发射阴极或场发射阴极，产生高亮度的电子束。
然后，这些电子被加速器加速到所需的能量。
2.2 透镜系统透镜系统由电子透镜和磁场构成，主要用于控制电子束的聚焦和收束。
透镜系统中常用的透镜包括凸透镜、凹透镜和电子源边界控制透镜等。
2.3 样品与探测器样品是TEM中观察的对象，可以通过薄片制备，以保证电子的透射。
样品放置在TEM中的样品台上，并通过样品台进行精确的位置调整。
探测器则用于捕捉透射电子的图像，并将其转化为可见的图像或数字信号。
3. TEM的基本应用3.1 结构表征TEM能够观察物质的微观结构，包括晶体的晶格结构、晶界、界面等，通过该技术可以研究晶体的缺陷、晶体生长机制等问题。
3.2 化学组成分析TEM可以通过能谱和散射分析技术对样品进行化学成分的分析。
能谱分析可以通过测量透射电子的能量来确定样品中各种元素的存在和含量，而散射分析则可以通过测量透射电子的散射角度来确定样品的结构和化学成分。
3.3 纳米材料研究TEM是研究纳米材料的重要工具。
纳米材料的尺寸非常小，常常只有几纳米甚至更小，TEM的高分辨率可以观察到纳米材料的形貌、晶体结构、分布等信息，对纳米材料的制备和性质研究具有重要意义。
3.4 生物学研究TEM在生物学研究中也得到了广泛应用。
高分辨透射电子显微术优秀课件.ppt
波的干涉
Yi
底片
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高分辨透射电子显微术：是材料原子级别显微组织结构的相 位衬度显微术。它能使大多数晶体材料中的原子成串成像。
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）首次用电子显微镜拍摄了 Ti2Nb10O29 的二维像，并指出高分辨像中一个亮点对应于 晶体结构中电子束入射方向的一个通道。这是由于通道与周 围相比对电子的散射较弱，因此在像中呈现为亮点。在弱相 位体近似成立的条件下，高分辨电子显微像就是晶体结构在 电子束方向的投影，因此将晶体结构与电子显微像结合起来。 这种直观地显示晶体结构的高分辨像就称为结构像。
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阿贝成像原理
成像系统光路图如图所示。 当来自照明系统的平行电子束投射
到晶体样品上后，除产生透射束外 还会产生各级衍射束，经物镜聚焦 后在物镜背焦面上产生各级衍射振 幅的极大值。 每一振幅极大值都可看作是次级相 干波源，由它们发出的波在像平面 上相干成像，这就是阿贝光栅成像 原理。
在此期间，人们还致力于发展超高压电镜、扫描 透射电镜、环境电镜以及电镜的部件和附件等， 以扩大电子显微分析的应用范围和提高其综合分 析能力。
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高分辨电镜可用来观察晶体的点阵像或单原子像等所谓的高 分辨像。这种高分辨像直接给出晶体结构在电子束方向上的 投影，因此又称为结构像(图4-86)。
高分辨TEM
用物镜光阑选择透射波，观察到的象为明场象； 用物镜光阑选择一个衍射波，观察到的是暗场像； 在后焦平面上插上大的物镜光阑可以获得合成象，即高分辨
电子显微像
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高分辨显微像
高分辨显微像的衬度是由合成的透射波与衍射波的相位差所 形成的。
tem的基本原理和应用
tem的基本原理和应用一、tem的基本原理Transmission Electron Microscope（透射电子显微镜，TEM）是一种应用电子束通过样品实现高分辨率成像的显微镜。
TEM的基本原理基于电子的波粒二象性以及电子与物质的相互作用。
TEM中的主要部件包括电子源、光学系统、样品支架和检测系统。
电子源产生的电子经过一系列的光学系统（如透镜和准直系统）进行束流的聚焦和定位，然后被引导到样品上。
当电子束通过样品时，它们与样品中的原子发生相互作用，包括电子在物质中的散射和吸收现象。
接收到的透射电子经过检测系统（如荧光屏或数字检测器）进行信号的记录和成像。
TEM成像的原理是根据透射电子与样品的相互作用形成的衍射图样进行的。
通过对透射电子的控制、记录和处理，可以获得样品的高分辨率结构图像。
二、tem的应用1. 物质表征TEM可以对材料的微观结构和成分进行表征。
在材料科学中，TEM被广泛用于研究材料的晶体结构、晶格缺陷、相界面和纳米级结构等。
通过观察和分析TEM图像，可以确定材料的晶体结构、晶格参数和晶体缺陷类型，揭示材料的微观机制，为材料设计和改进提供基础数据。
2. 生物学研究TEM在生物学研究中也有重要应用。
它可以提供关于生物样品细胞结构和超分辨率的信息。
通过TEM，可以观察到生物样品的细胞核、细胞质、细胞器以及细胞超微结构等。
此外，TEM还可以用于研究细胞内部的蛋白质分布、细胞器形态和生物样品的化学成分等。
3. 纳米科学与纳米技术随着纳米科学与纳米技术的不断发展，TEM在纳米尺度研究中的应用变得越来越重要。
通过TEM，可以观察和分析纳米材料的尺寸、形貌和结构等特征。
例如，TEM可以用于观察纳米颗粒的形态和尺寸分布，研究纳米结构的生长机制以及研究纳米材料在电子束辐照下的性质变化。
4. 材料工程和半导体器件在材料工程和半导体器件研究中，TEM也发挥着重要的作用。
通过TEM可以对材料的晶体结构、相界面和纳米尺度结构进行观察和分析，为材料工程和半导体器件的设计和性能优化提供支持。
透射电镜的工作原理和应用
透射电镜的工作原理和应用1. 介绍透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种高分辨率的显微镜，可以用来观察和研究非常小的生物和物质的结构。
本文将介绍透射电镜的工作原理和应用。
2. 工作原理透射电镜的工作原理基于电子的波动性质和透射性质。
其基本组成包括电子源、减速器、透镜系统和检测器。
2.1 电子源透射电镜使用的电子源通常是热发射型阴极，通过加热阴极产生高能电子。
这些高能电子被发射到一个真空管中，形成电子束。
2.2 减速器电子束经过减速器会进一步调整电子能量，以适应样品的要求。
减速器可以利用磁场或电场控制电子束的速度和能量。
2.3 透镜系统透镜系统主要由磁透镜和电透镜组成，用于控制电子束的聚焦和定位。
透镜可以通过改变磁场或电场的强度来控制电子束的走向和聚焦效果。
2.4 检测器透射电镜的检测器通常是一个荧光屏，用于接收透过样品的电子束并转化为可见光。
这些可见光会被放大并转化为图像，可以被观察和记录。
3. 应用透射电镜在许多领域中有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域。
3.1 材料科学透射电镜可以用来研究各种材料的晶体结构和微观结构。
通过观察和分析材料的原子排列和组织结构，可以深入了解材料的力学性质、电子性质和热性质。
3.2 纳米技术透射电镜在纳米技术中起着重要作用。
它可以用来观察和研究纳米材料的结构、形貌和性质，帮助研究人员设计和制造更高效的纳米器件。
3.3 生物科学透射电镜在生物科学研究中也有广泛的应用。
它可以用来观察和研究生物样品的细胞结构、细胞器和分子组织，从而深入了解生物系统的功能和机制。
3.4 太空科学透射电镜在太空科学研究中发挥着重要作用。
它可以用来观察和研究来自外太空的微小颗粒、陨石和行星样品，帮助科学家了解太阳系的形成和演化过程。
3.5 医学研究透射电镜在医学研究中也有许多应用。
它可以用来观察和研究病毒、细菌和细胞的结构，从而增进对疾病的认识和治疗方法的研发。
透射电子显微镜原理
透射电子显微镜原理透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种使用电子束而不是光束来成像的显微镜。
它可以提供比光学显微镜更高的分辨率，因此在观察微观结构和纳米尺度物质上具有重要的应用价值。
本文将介绍透射电子显微镜的原理，帮助读者更好地理解其工作原理和成像过程。
首先，透射电子显微镜的成像原理是基于电子的波粒二象性。
电子具有波动性，其波长可以比光波长更短，因此具有更高的分辨率。
透射电子显微镜使用一个电子枪来产生电子束，然后通过一系列的透镜系统来聚焦和成像样品。
在样品上方设置一个透明薄膜，电子束通过样品后被搜集并成像在荧光屏或者数字传感器上。
其次，透射电子显微镜的成像原理还涉及到样品的制备和性质。
由于电子束的穿透能力很强，因此需要对样品进行薄片制备，通常使用离心切片机或者离子蚀刻来制备样品。
此外，样品的性质也对成像效果有很大影响，比如样品的厚度、密度、晶体结构等都会影响电子束的透射和散射情况，进而影响成像质量。
最后，透射电子显微镜的成像原理还涉及到电子束的探测和信号处理。
电子束穿过样品后，与样品发生相互作用，包括散射、吸收等现象。
这些相互作用会产生不同的信号，包括透射电子显微镜的成像信号、散射电子显微镜的成像信号等。
这些信号需要经过适当的探测器和信号处理系统来转换成最终的图像或者谱图。
总之，透射电子显微镜的原理涉及到电子的波粒二象性、样品的制备和性质、电子束的探测和信号处理等多个方面。
通过深入理解透射电子显微镜的原理，可以更好地应用和操作这一先进的显微镜技术，为科学研究和工程应用提供更精准的微观结构信息。
第十二章高分辨透射电子显微术ppt课件
第八章 电子光学基础 第九章 透射电子显微镜 第十章 电子衍射 第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析 第十二章 高分辨透射电子显微术 第十三章 扫描电子显微镜 第十四章 电子背散射衍射分析技术 第十五章 电子探针显微分析 第十六章 其他显微结构分析方法
1
第十二章 高分辨透射电子显微术
图12-14 Al-Si合金粉末的高分辨像 a)、SEM像 b)和TEM明场像 c) 22
第三节 高分辨电子显微术的应用
六、高分辨像的计算机模拟
由图12-15可说明，Si3N4晶界上有一非晶层， NiAl2O4 与NiO相界为稳定界面， Fe2O3表面为其(0001)面
图12-15 几种平面界面的高分辨像 a) Ge的晶界 b) Si3N4的晶界
的实验像a)、b)、c)及模拟高分辨像d)、e)、f)
16
第三节 高分辨电子显微术的应用
材料的微观结构与缺陷结构，对材料的物理、化学和力 学性质有重要影响。利用高分辨电子显微术，可以在原子尺 度对材料微观结构和缺陷进行研究，其应用主要包括 1) 晶体缺陷结构的研究 2) 界面结构的研究 3) 表面结构的研究 4) 各种物质结构的研究 下面给出一些典型的高分辨像，用图示说明高分辨透射电镜 在材料原子尺度显微组织结构、表面与界面以及纳米粉末结 构等分析研究中的应用
电子束倾斜和样品倾斜均会影响高分辨像衬度，电子 束 轻微倾斜，将在衍射束中引入不对称的相位移动
图12-6所示为 Ti2Nb10O29 样品厚度为7.6 nm时的高分辨模 拟 像。图中清楚表明，电子束或样品即使是轻微倾斜，对高 分 辨像衬度也会产生较明显影响
样品倾斜 / mrad
电子束倾斜 / mrad
六、高分辨像的计算机模拟
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χ
△f>0
△f=0
△f<0
g
弱相位物体
样品出射波：q(x,y)=1-iσφp(x,y) 衍射面波函数： Q(u,v)=[δ(u,v)-i σF{φp(x,y)}]exp[iχ(u,v)] ⊗ 像面波函数： ψ(x,y)=1-i σ φp(x,y) F-1{cos(χ(u,v))+isin(χ(u,v))} 像强度（相位衬度）： I(x,y)=| ψ(x,y)|2≈1+2 σ φp(x,y) F-1{sin( χ(u,v))} 如果 sin(χ(u,v))= -1 那么 I(x,y)=1-2σ φp(x,y）
傅立叶变换及其反变换 是在衍射与物（或像） 之间转换的桥梁. 快速傅立叶变换（FFT） 实质上是一种快速数学 Objective 计算的技术. lens
Diffraction plane q(x,y) FT
Q(u,v）
IFT Image plane
ψ(x,y)
倒易空间（Reciprocal space）
t
相位物体
• 出射波的相位提升不同，或者说等相位面发生了变化 • 出射波的相位带有了样品的结构信息 • 样品必须足够的薄，以满足这一假定
Equal-phase surface Equal-phase surface
incident
exit
Incident plane wave
Exit modified wave
△f=+50nm
△f=-130nm
△f=-65nm
△f=-200nm
衬度传递函数
• 这一欠焦条件称为薛泽欠焦(Scherzer defocus), 也称最佳欠焦
χ +π/2 △f=0 △f<0
g -π/2 -2π/3
点分辨率
• 薛泽欠焦下的第一个零点代表了点分辨率 • 含义:对点分辨率以内的空间频率,CTF近似是常数-1
高分辨透射电子显微学 基本原理和应用技术
分析中心 崔兰 林奎 郭前进
内
1 2 3
容
电子显微像的特点 高分辨透射电子显微像基本原理 高分辨透射电子显微像应用技术
一.电子显微像的特点
一.电子显微像的特点
Abbe 成像原理
2 2
恩斯特·卡尔·阿贝（Ernst Karl Abbe)。德国物理学家，光学家 。 是卡尔·蔡司的合作人。 他的两项重要贡献为： ①可见光波显微镜分辨本领的极限， ②波动光学中的两步成像理论。
电子束 晶体
多束
明场
多束
• 注意：非晶体和多晶体也可以产生多束
非晶体
多晶体
5 nm
一维条纹
双束或者处在一维的多束产生一维的条纹 一维条纹反映晶体的这个方向的周期 条纹不一定正好坐在原子面的位置，而且会随离焦量而位移 一般来讲，不存在条纹与原子面之间的对应关系,但破坏周期性的 晶格缺陷可以被直接观察到
光学显微镜的像. 成像过程：物表面对光的吸收和反射，直接成像。 电子显微像比较复杂， 电子束
样品
一.电子显微像的特点
物镜光镧 衍射束 透射束 它们的振幅和相位都发生了变化。依照选取成像信息的 不同，所获得的电子显微像的衬度出现了不同机制。
电子显微像衬度的种类
电子显微像衬度
振幅衬度
单束，无干涉成像
像差函数
像差函数
• 衍射面的像差函数就是对倒易空间的一种限制. • 最基本的像差函数H（u,v）像一只相位板，只是非均匀地改 变了各电子束之间的相位关系.高分辨像畸变的主要来源。 • H(u,v)=exp[iχ(u,v)]=exp[iπCsλ3g4/2+iπ△f λg2]
χ(u,v):相位移 Cs:球差系数 △f：离焦量（欠焦为负） λ：电子波长 g= u 2 + v 2 :倒易矢
衍射面
ψ(x,y)=F-1{F(u,v)}
像面 电子波经过晶体后,携带结构信息q(x,y),经过电子透镜传递干涉成像
像衬1
• 样品很薄 • 出射电子波相位包含了样品的信息，但其振幅没 有变化 • 出射电子波被电镜像差改动不大 • 图像可与样品结构直接对应，称为结构像 • 图像仍是相位衬度像
像衬2
0.135nm
硅[110]的高分辨像
点分辨率和信息分辨率
通过大范围改变聚焦,使特定的空间频率处在 最佳的传递位置。
薛泽欠焦
大欠焦
衬度传递函数衰减
• 并不是任何空间频率都可以通过改变离焦量来实现最佳 的传递. • 衬度传递函数之上总是有一衰减包络. • 该衰减包络主要由光源的部分相干性而定.
衬度传递函数衰减
物镜 衍射面
高分辨像的形成
• 强相互作用的散射过程 -高统计效果 -样品出射波与样品结构之间简单的对应关系 • 成像过程电镜像差的贡献 -广义的像与结构的直接对应关系不存在 • 结论 -一般来说，高分辨像不可直接解释
散射过程
• 平面入射波 • 样品出射电子波在样品静电势（electrostatic potential）作用下具有了样品的信息 • 样品出射波则是成像过程的入射波函数
电子波
• 理想的电子光源是完全相干的 • 实际的电子光源是部分相干（partial coherent） • 判断相干性的准则：
-空间相干性（平行度）,相干宽度 -时间相干性（单色性）,相干长度
• 由样品的散射/衍射，即从入射束分离出的电子束也是 部分相干的 相干性决定了干涉条纹的质量
电子波
• 电子源的相干性
弱相位物体
（Weak-phase-object）
• 在相位物体基础上假设相位的提升很小，以至于 σφp(x,y)<<1 • 出射波的数学表达式 q(x,y)=exp(-iσ φp(x,y)) ≈1-iσφp(x,y) • 条件：样品必须非常的薄 • 粗劣估计，200kV 下中等重量元素~2nm
傅立叶变换 （Fourier transform）
χ +π/2 △f=0
g -π/2
衬度传递函数
• 常数CTF只是一个近似:CTF在一定的范围内近似常数 • 最宽的常数平台出现在△f<0及χ(u,v)接近于±π/2
sin χ
χ
△f>0
△f=0
△f<0
g
-π/2 -π π/2
π
衬度传递函数sinχ
衬度传递函数与离焦量密切相关（200KV，CS=1.2mm)
电子源能量分布0.7～2.4ev 电子源尺寸 30～100μm
Tungsten
0.5 ～2.0ev 5 ～50 μm
LaB6
0.2 ～0.4ev ＜10nm
FEG
时间相干性 空间相干性
（单色性） （平行度）
高分辨像
• 分两大步骤： 散射（样品）和 成像（电镜） • 散射后，入射电子束 被分离成若干束 • 当这些电子束在像面 上再次相逢，就形成 一/二维干涉 条纹
• 样品很薄 • 出射电子波相位包含了样品的信息，但其振幅没 有变化 • 出射电子波的相位再进一步被电镜像差改动 • 图像是包含了畸变的样品信息 • 图像与样品结构的直接对应性不存在=>条纹像 • 图像是相位衬度像
像衬3
• • • • • • 样品不很薄 出射电子波的振幅和相位都因样品而改变 出射电子波再进一步被电镜像差修正 图像包含了更加畸变的样品信息 图像是条纹像 图像不是纯粹的相位衬度
• 衍射空间=倒易空间，以区分正空间（物/像空间） • 倒易空间的测量长度是空间频率（ space frequency） → 0 或倒易矢，以g/ g 表示，以1/nm或1/ A 为单位 • 高空间频率代表更细节的信息（更高分辨信息）
电镜的成像
Ideally
q(x,y)
样品
物镜 Q(u,v)= F{q(x,y)}H(u,v) 在衍射面上增 加电镜像差--传递函数 H(u,v)
Incident beam: exp(i/k·r) Specimen electrostatic potential:φ(r)
Exit-wave: q(x,y)=?
出射波函数
• 普适的解析表达式不存在 • 数字解 -布洛赫波（Bloch wave）:N×N本征值问题 -多层法（Multislice）：Cowley and Moodie提出物 理光学近似. • 简单近似 -相位物体（Phase-object） -弱相位物体（Weak-phase-object）
⊗
弱相位物体的像
I ( x, y ) = 1 − 2σφ p ( x, y )
意味着图像是与结构之间有直接对应关系的结构像
注意，相当严格的近似条件： -散射过程：弱相位物体近似=极薄样品 赝弱相位物体近似=薄样品，但相对投影电势强度发生改变 -成像过程： sin (χ(u, v))= -1
衬度传递函数(CTF)
二维晶格像
• 晶体在某低指数带轴 • 使用较大的物镜光阑或根本不使用光阑 • 二维晶格像 晶体二维平移周期信息
晶体
HRTEM images from the SrTiO3 bi-crystal boundary.
波
• 电子束是波故具有振幅和相位（amplitude and phase) • 波的周期是波长（如200kV下0.0025nm)或以2π相位为单位 2π • 平面波表达为 A exp[−i r]
位错的观察证实了位错理论的正确性
二.高分辨透射电子显微像基本原理 什么是高分辨（HRTEM）？
以分辨定义并不完美（1nm还是0.1nm?） 可直接看到原子结构不是正确的定义； 仅相位衬度像亦不妥； 更正确的定义： ---多电子束的干涉条纹
•指电子散射的状况 •比较传统“单束”的衍射衬度技术
λ 只有强度（正比于振幅的平方A2）可被记录到