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密级:博士学位论文高分辨电子显微学方法及其在半导体材料研究中的应用作者姓名：常云杰指导教师: 李方华院士中国科学院物理研究所葛炳辉副研究员中国科学院物理研究所学位类别: 理学博士学科专业: 凝聚态物理研究所: 中国科学院物理研究所2017年4月Studies of High-Resolution Electron Microscopy Methods and Its Applications in SemiconductorsByYunjie ChangA Dissertation Submitted toThe University of Chinese Academy of SciencesIn partial fulfillment of the requirementFor the degree ofDoctor of ScienceInstitute of PhysicsChinese Academy of SciencesApril 2017摘要高分辨电子显微学作为从原子尺度评价材料内部结构的最有力的实验手段之一，被广泛应用于各种材料的研究。
但是，由于透射电镜成像系统的像差和样品厚度等的影响，高分辨像未必能反映正确的晶体结构信息。
为此往往需对高分辨像做细致的像衬分析或使用图像处理方法等来提升图像的分辨率以确定晶体结构。
随着球差校正器的出现及广泛使用，电镜分辨率提升至0.1 nm甚至更高，多数情况下可分辨所有原子；并且球差系数的可调节性也为研究人员提供了更多的实验手段。
然而，已有的像衬理论已难以对球差校正高分辨像作出很好的解释，因此有必要对球差校正像的像衬理论及相应的图像处理方法进行研究。
本论文研究内容可分为两部分：一部分介绍了高分辨电子显微学及像解卷处理方法在GaN薄膜缺陷结构测定中的应用；另一部分介绍了对球差校正高分辨像中非线性信息的研究工作。
具体内容包括：1.由200 kV普通电镜拍摄的分辨率仅为约0.2 nm的高分辨像出发，在原子尺度上测定了GaN薄膜中多种缺陷的核心结构。
高分辨材料和生物成像技术的研究方法高分辨材料和生物成像技术是现代生命科学研究中广泛使用的技术，能够为科学家们提供更加详细、精确的图像和数据。
因此，研究高分辨材料和生物成像技术的方法对于科学进步具有非常重要的意义。
本文将重点讨论一些研究高分辨材料和生物成像技术的方法。
一、高分辨材料研究方法高分辨材料研究是制备新型复杂材料、深入了解材料的微观结构和性质等方面的一项重要研究。
下面我们将介绍几种高分辨材料研究方法。
1、透射电子显微镜透射电子显微镜是用于观察材料内部微观结构的重要工具。
通过调节电子束穿透样品，可以得到具有高分辨率的材料内部结构的图像。
2、扫描电子显微镜和透射电子显微镜的联用扫描电子显微镜和透射电子显微镜能够分别提供材料表面和内部的图像。
因此，它们的联合使用可以获得材料的高分辨表面和体积图像，为高分辨材料研究提供更加详细的信息。
3、三维成像三维成像是高分辨材料研究中的一项新兴技术。
通过在材料中构建三维模型，可以更加深入地了解材料的微观结构和性质。
目前，常见的三维成像技术包括：扫描电子显微镜断层扫描、透射电子显微镜切片扫描和原子力显微镜。
二、生物成像技术研究方法生物成像技术是有关生物体内、外部图像的观察与分析，是生命科学领域中比较重要的技术之一。
下面我们将介绍几种生物成像技术的研究方法。
1、放射性核素成像放射性核素成像是最常用的生物成像技术之一。
该技术通过注射放射性核素，利用核素的放射性来观察生物体内部的图像，如PET和SPECT就是两种典型的放射性核素成像技术。
2、超声波成像超声波成像是利用超声波来观察生物体内部图像的技术。
超声波成像具有操作简便、无辐射、成本低等优点，因此成为了医学领域中最常用的成像技术之一。
3、磁共振成像（MRI）磁共振成像是一种以核磁共振为基础的成像技术，可以提供生物体内部非常详细的图像。
MRI成像具有无辐射、高解析度、无创伤等显著特点，因此在现代医学领域得到了广泛的应用。
超高分辨率电子显微镜的研究与应用对于生物学、材料科学、化学等领域的研究来说，电子显微镜具有不可或缺的作用。
而传统的电子显微镜虽然分辨率较高，但是由于镜头的物理限制，无法达到超高分辨率。
然而，随着技术的不断发展，超高分辨率电子显微镜技术得到了重大的突破，被广泛应用于各个领域的研究中。
超高分辨率电子显微镜，即高分辨透射电子显微镜，简称HRTEM，它的分辨率比传统透射电镜高出数倍甚至数十倍。
HRTEM所使用的透射电子束是以电子为信号的一种成像技术，其分辨率已经达到了原子尺度，主要原因在于它的探针尺寸比其他成像技术小得多。
HRTEM技术应用广泛，其作用包括但不限于：1. 分子结构研究：如蛋白质、DNA等生物大分子的结构分析，以及复杂有机和无机化合物的分子结构分析等。
2. 生物医药研究：HRTEM技术在生物医药研究中的应用主要包括纳米药物传递、病毒抗原分析、疫苗研制等。
3. 催化剂研究：HRTEM能够捕捉“原子级或原子级以下”尺寸的结构和物化特性，成为明晰催化剂表面反应原理、优化催化剂性能等方面的有力工具。
4. 纳米材料研究。
HRTEM技术对于纳米结构体系研究也是十分重要的，可以获得纳米材料的晶格参数、缺陷、位错、晶界等信息。
5. 符合材料研究。
通过HRTEM技术可以得到材料的微观组织结构、晶格畸变、界面缺陷等信息，从而为材料设计提供了必要的理论支持。
为了实现HRTEM技术的高分辨率，还需要在样品处理、镜头性能等多个方面进行技术改进、创新，同时还需要进行数据分析和模拟，来实现更精确、更复杂的分析工作。
总的来说，超高分辨率电子显微镜技术的不断发展，为科学技术的进步和发展打下了坚实的基础，它为我们提供了一个探索微观结构的新视角，其广泛的应用还将持续带来许多新的惊喜和发现。
高分辨率电子显微镜在材料研究中应用引言：高分辨率电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种基于电子束的显微技术，使用电子束代替传统光束，能够以极高的分辨率观察材料的微观结构。
在材料科学研究中，TEM的应用不仅能够揭示材料的微观结构、晶体结构和化学成分，还能够帮助科学家们理解和解决各种材料性能与功能相关的问题。
本文将就高分辨率电子显微镜在材料研究中的应用进行详细阐述。
一、高分辨率电子显微镜的基本原理高分辨率电子显微镜的基本原理是利用电子束与样品之间的相互作用，观察和分析材料的微观结构。
电子源产生的电子束被聚焦成一束非常细小的电子束，通过透射样品后，被用于形成显微图像。
TEM的基本构成有电子源、准直系统、电子透镜系统、样品台、检测系统等。
其中，关键的几个部分是电子源、电子透镜系统和检测系统。
二、高分辨率电子显微镜在材料研究中的应用1. 显微结构观察高分辨率电子显微镜可以观察材料的晶体结构、缺陷结构、界面结构等微观结构。
通过TEM技术观察到的微观结构信息能够帮助研究人员理解材料的性能和行为，并对材料进行改进和优化。
此外，TEM还广泛应用于材料相变、析出相、晶体生长、金属相互作用等方面的研究。
2. 元素和化学成分分析高分辨率电子显微镜通过能量色散X射线光谱（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）技术可以进行元素和化学成分分析。
该技术利用样品受到电子束激发后所发射的X射线特征能谱，从而确定材料的化学成分和元素分布。
通过EDS技术分析得到的化学信息，可以帮助研究人员深入了解材料的性质、组成和原子排列，为材料设计和合成提供重要的依据。
3. 纳米材料研究在纳米材料研究中，TEM是一种重要的表征工具。
纳米材料通常具有特殊的尺寸效应和表面效应，其性质与大尺寸材料存在差异。
高分辨率电子显微镜能够提供纳米材料的形貌、结构和组成信息，帮助科学家理解纳米材料的特殊性质，如量子尺寸效应、界面缺陷和晶体缺陷等。
