[发明专利]超快无透镜相干电子衍射成像方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及时间分辨的电子显微成像，特别是一种具有优于1皮秒时间分辨率和优于1纳米空间分辨率的超快无透镜相干电子衍射成像方法及其可能的相应装置。

背景技术

本发明涉及的背景技术分为两方面；

一、电子显微镜的时间和空间分辨率问题：传统的电子显微成像通过提高电子加速电压、使用电磁透镜、提高电子源的品质三个主要方向，其空间分辨率的提高已经几近极限。由于传统的电子显微成像一般是时间累积的形貌成像，无法对物理、化学、生物等各领域中的过程进行高时间分辨成像。因此，在传统的电子显微成像技术中引入时间分辨能力，是当今世界科技发展的前沿。已有的时间分辨电子成像系统中，比较典型的有美国加州理工学院(Caltech)Zewail研究组的超快电子显微镜（ultrafast electron microscopy， UEM），美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)Campbell研究组的动态透射电子显微镜（dynamic transmission electron microscope, DTEM)。

在这些时间分辨电子成像系统中，从衍射空间（即倒空间）到实空间的电子成像是通过电磁物镜主导的傅里叶变换实现的，由于电子经过样品后使用电磁物镜进行成像，损失了电子的相位信息，因此这些系统在空间分辨率和时间分辨率的提高上都受限。一方面，电子束的电磁透镜成像的空间分辨率提高有两个重大技术困难：一是要求透镜的像差极小，否则相位误差将引入到衍射波中，无法获得清晰像，对于电子透镜成像和X射线波带片成像，实现这一点极端困难；二是整个实验装置必须足够稳定，从而位于衍射平面边缘的大角度电子仍然可以在像平面相干干涉。所以，即使通过复杂的像差矫正，一般电子透镜的可用角度范围也仅仅在1-2度，这种动量空间（换句话说，透镜可以接纳入射电子束的最大散射范围）的限制严重地影响了空间分辨率。另一方面，由于电子作为带电粒子会相互排斥，经过电磁透镜的长距离飞行过程中，电子脉冲宽度会展宽，从而导致时间分辨率降低。

二、相干无透镜衍射成像：它借助于理论方法和计算机算法解决周期和非周期结构样品中衍射的相位问题，在X射线领域被称为相干X射线衍射成像（coherent x-ray diffractive imaging, CXDI）。人们很早就意识到可见光领域的相位问题，瑞利在给迈克耳逊的一封信中曾经评论说，如果没有数据对称性的相关信息，干涉中的相位问题是无法解决的。相位问题成功解决归功于D. Sayre，他在1952年指出应该考虑Shannon的取样理论和布拉格定律间的关系[Acta Crystallogr. 5, 843(1952)]。其后，Gerchberg和Saxton第一次编写出了恢复相位的算法[Optik 35，237(1972)]。这种算法常被称为hybrid input–output (HIO) algorithm [Appl. Opt. 21，2758(1982)]：对一个原函数在实空间和傅里叶空间反复迭代，每一次迭代都对实空间或者傅里叶空间加边界条件。此领域在1990年前后开始得到快速发展，其中苗建伟等人1999年首次在软x射线波段进行了实验验证[Nature 400,342(1999)]；随后左建明等人2003年率先发表了电子相干无透镜衍射成像的实验研究成果[Science 300, 1419(2003)], 2008年朱溢眉等人提出“位置敏感衍射成像”（position-sensitive diffractive imaging, PSDI）用于电子的相干无透镜衍射成像。在过去的20年间，这项技术从结晶学外延到对非晶样品的高分辨率成像，并得到广泛应用[Adv. Phys. 59, 1 (2010)]。

相干电子衍射成像的基本原理是利用拟合电子衍射的衍射强度，通过逆向演算找回由于缺少物镜所丢失的样品相位信息。基于电子衍射的相干无透镜成像，对装置的高稳定性的要求和对入射束的能散要求相对放松。相干成像无需物镜，直接利用光敏薄膜或者电荷耦合元件（CCD）探测器记录衍射图样的强度。衍射成像的优势在于干涉条件是否满足仅仅决定于样品内部本身的散射，不要求电子束流在传输系统中长距离漂移后再干涉。然而与传统电子显微成像类似，该方法还不具有时间分辨能力。

因此传统的电子显微成像技术，主要存在如下技术问题：

1．      无时间分辨能力或时间分辨率受限。

2．      空间分辨率低：实空间像的空间分辨率受物镜的质量（如像差和色差等）制约，通过采用高质量的电磁物镜提高空间分辨率的成本高。