CN105223048A - 利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，包括以下步骤：制备洛伦兹透射电镜所需的磁性纳米材料的试样；在洛伦兹透射电镜中对试样进行观察，并拍摄第一全息图和第二全息图；分别对第一全息图和第二全息图进行重构；其中，第一全息图重构后得到第一振幅图和第一相位图；第二全息图重构后得到第二振幅图和第二相位图；将第一振幅图和第二振幅图对齐，并记录对齐过程中的操作代码；根据上述的操作代码对齐第一相位图和第二相位图；处理对齐后的第一相位图和第二相位图，得到磁性纳米材料的微观磁结构。其实现了全息图对齐的准确性，能够有效去除磁性纳米材料内部的电场信号，正确表征纳米磁性材料的微观磁结构。

Description

利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法

技术领域

本发明涉及磁性纳米材料微观结构的表征，特别是涉及一种利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法。

背景技术

基于透射电子显微镜的电子全息技术是测量磁性纳米材料微观结构的重要手段，也是近年来研究的热点。电子全息技术通过试样的物体波和真空参考波形成干涉条纹，得到全息图，通过对全息图处理得到试样的微观磁结构信息。

通常在利用电子全息技术表征磁性纳米材料的微观磁结构时，直接将拍摄到的全息图进行对齐，该方式存在以下困难：磁性纳米材料本身尺寸较小，且由于仪器限制等因素导致全息图的清晰度较低，很难实现全息图的准确对齐，因而不能有效去除磁性纳米材料内部的电场信号，无法准确分析磁性纳米材料的微观磁结构。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，能准确对齐拍摄到的全息图。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，包括以下步骤：

S100，制备洛伦兹透射电镜所需的磁性纳米材料的试样；

S200，在洛伦兹透射电镜中对所述试样进行观察，并拍摄第一全息图和第二全息图；

S300，分别对所述第一全息图和所述第二全息图进行重构；

其中，所述第一全息图重构后得到第一振幅图和第一相位图；所述第二全息图重构后得到第二振幅图和第二相位图；

S400，将所述第一振幅图和所述第二振幅图对齐，并记录所述对齐过程中的操作代码；

S500，根据S400中的操作代码对齐所述第一相位图和所述第二相位图；

S600，对所述对齐后的第一相位图和第二相位图进行后续处理，得到所述磁性纳米材料的微观磁结构。

在其中一个实施例中，所述第一全息图包括第一物体全息图和第一真空全息图；

所述第二全息图包括第二物体全息图和第二真空全息图。

在其中一个实施例中，S100中，所述磁性纳米材料的试样的厚度小于100nm。

在其中一个实施例中，S100包括以下步骤：

分散：将待测磁性纳米材料稀释在溶剂中，用超声分散3～10min；

滴样：取所述分散步骤中超声完毕后的上层清液，滴3～4滴于厚度小于10nm的碳膜或微栅上，溶剂完全挥发后得到洛伦兹透射电镜所需的磁性纳米材料的试样。

在其中一个实施例中，S200中，所使用的洛伦兹透射电镜的电子全息空间分辨率为3nm。

在其中一个实施例中，S200包括以下步骤：

S210，将所述试样置于所述洛伦兹电镜的样品台上，拍摄所述试样中某一个或某几个颗粒对应的全息图，得到第一物体全息图；并拍摄所述试样中空白处对应的全息图，得到第一真空全息图；

S210，将所述样品台上的试样翻面，再次拍摄所述试样中与与S210中相同的一个或几个颗粒的全息图，得到第二物体全息图；并拍摄所述试样中空白处对应的全息图，得到第二真空全息图。

在其中一个实施例中，S200包括以下步骤：

S210’，将所述试样置于所述洛伦兹电镜的样品台上，找到所述试样的容易轴，沿所述容易轴方向施加磁场，拍摄所述试样中某一个或某几个颗粒对应的全息图，得到第一物体全息图；并拍摄所述试样中空白处对应的全息图，得到第一真空全息图；

S220’，反向施加所述磁场，再次拍摄所述试样中与S210中相同的一个或几个颗粒的全息图，得到第二物体全息图；并拍摄所述试样中空白处对应的全息图，得到第二真空全息图。

在其中一个实施例中，S300中，所述第一全息图和所述第二全息图的重构包括以下步骤：

分别对所述第一全息图和所述第二全息图进行傅里叶变化；

分别对所述经过傅里叶变化的第一全息图和第二全息图进行反傅里叶变化；

所述第一全息图进行反傅里叶变化后得到第一振幅图和第一相位图；所述第二全息图进行反傅里叶变化后得到第二振幅图和第二相位图。

在其中一个实施例中，S600中，对所述对齐后的第一相位图和第二相位图进行后续处理包括以下步骤：

将所述对齐后的第一相位图和第二相位图相减，得到由所述试样的磁信号引起的相位变化图；

将得到的由所述试样的磁信号引起的相位变化图进行平滑处理后放大，得到所述试样的微观磁结构图像。

在其中一个实施例中，S600中，对所述对齐后的第一相位图和第二相位图进行后续处理还包括以下步骤：

将所述对齐后的第一相位图和第二相位图相加，平滑处理后放大，得到由所述试样的电场信号引起的相位变化图。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，使用洛伦兹透射电镜对磁性纳米材料进行观察，从纳米尺度内直接定量地得到了磁性纳米颗粒内部的微观磁结构；

2、本发明中，首先将拍摄的全息图进行重构，第一全息图重构后得到第一振幅图和第一相位图，第二全息图重构后得到第二振幅图和第二相位图；然后将第一振幅图和第二振幅图进行对齐，再根据对齐的操作代码，对齐第一相位图和第二相位图。通过振幅图的对齐能够实现磁性纳米材料颗粒的位置完全重合，而相位图的对齐则是基于振幅图的操作代码，因而，能实现相位图的准确对齐，进而能够有效去除磁性纳米材料内部的电场信号，最终能够正确表征纳米磁性材料的微观磁结构，得到更多的磁性信息；

3、利用本发明的方法，可以对微观的单个颗粒或几个颗粒的磁性能评价提供更多的信息，如颗粒的单多磁畴状态，颗粒之间的静磁相互作用、壳层结构的软硬磁相的交换耦合作用，磁场作用下的颗粒的磁化强度大小方向的改变，以及各向异性和磁化强度随温度的变化等。

附图说明

图1为本发明的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法的操作流程图；

图2为本发明的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法一实施例中第一全息图的重构流程图；

图3为本发明的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法一实施例中第二全息图的重构流程图；

图4为本发明的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法一实施例中得到的磁性纳米材料的微观磁结构图像。

具体实施方式

下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参见图1至图4，本发明提供了一种利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，其利用洛伦兹透射电镜观察并拍摄磁性纳米材料的单个颗粒或多个颗粒的全息图，然后对得到的全息图进行处理，最终正确表征磁性纳米材料的微观磁结构。

结合图1，本发明的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法包括以下步骤：

S100，制备洛伦兹透射电镜所需的磁性纳米材料的试样。

其中，磁性纳米材料可以为磁性纳米颗粒，也可以为磁性纳米线。为了能够保证测试效果，使观察到的图像清晰，本发明中所使用的磁性纳米材料的厚度小于100nm。

具体的，磁性纳米材料的试样可通过如下方式制备：

S110，分散：将待测磁性纳米材料稀释在溶剂中，用超声分散3～10min。

本步骤的目的是分散磁性纳米材料。较佳地，溶剂为丙酮和酒精，其对磁性纳米材料具有良好的分散效果，且易挥发，便于后续的观察。

S120，滴样：取S110中超声完毕后的上层清液，滴3～4滴于厚度小于10nm的碳膜或微栅上，溶剂完全挥发后得到磁性纳米材料的试样。

碳膜和微栅用于承载待测的磁性纳米材料。当磁性纳米材料为磁性纳米颗粒时，多选用碳膜作为承载物；当磁性纳米材料为磁性纳米线时，多选用微栅作为承载物。

S200，在洛伦兹透射电镜中对试样进行观察，并拍摄第一全息图和第二全息图。

洛伦兹透射电镜对物镜进行了改造，将放置试样的位置提到上极靴的上面，使得试样处的磁场可小于10Oe，同时保持样品的分辨率达到0.45nm以上。本发明所使用的洛伦兹透射电镜，电子全息空间分辨率为3nm，即3nm内具备一定强度的磁场信号都能够被检测，因而，可以观察大部分的强磁性纳米粒子的磁场分布。

电子全息技术的原理为：洛伦兹透射电镜发射电子波，穿过试样的电子波(物体波)与穿过真空的电子波(参考波)形成干涉条纹，并记录在底片或CCD上获得电子全息图。

电子全息图中包含了电子波的强度信息(即振幅信息)和相位信息。电子波的相位变化是由其所经过的区域的电场和磁场变化引起的。由于磁性纳米颗粒和磁性纳米线的厚度不均一，因而采用试样的正反面观察或者对试样施加正反磁场的做法，在后续处理中便于减掉电场信号，只保留磁场信号。

较佳地，作为一种可实施方式，第一全息图包括第一物体全息图和第一真空全息图；第二全息图包括第二物体全息图和第二真空全息图。其中，物体全息图(第一物体全息图和第二物体全息图)为电子波的一部分(物体波)穿过试样中的磁性纳米材料颗粒，另一部分(参考波)穿过真空区域后形成的干涉条纹；真空全息图(第一真空全息图和第二真空全息图)为电子波的两部分(物体波和参考波)都穿过试样中空白处(即真空)后形成的干涉条纹。真空全息图的增加使得在后续处理步骤中，能有效去除噪音，得到更清晰准确的重构结果。

作为一种可实施方式，S200包括以下步骤：

S210，将试样置于洛伦兹电镜的样品台上，拍摄试样中某一个颗粒或某几个颗粒对应的全息图，得到第一物体全息图；并拍摄试样中空白处对应的全息图，得到第一真空全息图。

S220，将样品台上的试样翻面，再次拍摄试样中与S210中相同的一个或几个颗粒的全息图，得到第二物体全息图；并拍摄试样中空白处对应的全息图，得到第二真空全息图。

作为另一种可实施方式，S200包括以下步骤：

S210’，将试样置于洛伦兹电镜的样品台上，找到试样的容易轴，沿容易轴方向施加磁场，拍摄试样中某一个颗粒或某几个颗粒对应的全息图，得到第一物体全息图；并拍摄试样中空白处对应的全息图，得到第一真空全息图。

S220’，反向施加磁场，再次拍摄试样中与S210’中相同的一个或几个颗粒的全息图，得到第二物体全息图；并拍摄试样中空白处对应的全息图，得到第二真空全息图。

需要说明的是，在其他实施例中，在进行第一全息图和第二全息图的拍摄时，可以只拍摄试样中某一个颗粒或某几个颗粒对应的物体全息图，而不必拍摄试样中空白处对应的真空全息图。此时，第一全息图只包括第一物体全息图，而不包括第一真空全息图；第二全息图只包括第二物体全息图，而不包括第二真空全息图。

S300，参见图2和图3，分别对第一全息图和第二全息图进行重构。其中，第一全息图重构后得到第一振幅图和第一相位图；第二全息图重构后得到第二振幅图和第二相位图。

第一全息图和第二全息图的重构包括以下步骤：

分别对第一全息图和第二全息图进行傅里叶变化；分别对经过傅里叶变化的第一全息图和第二全息图进行反傅里叶变化。第一全息图进行反傅里叶变化后得到第一振幅图和第一相位图；第二全息图进行反傅里叶变化后得到第二振幅图和第二相位图。

作为一种可实施方式，可利用DigitalMicrograph软件对第一全息图和第二全息图进行重构。

当第一全息图中只包括第一物体全息图，第二全息图中只包括第二物体全息图时，重构过程如下：将第一物体全息图导入到DigitalMicrograph软件中进行傅里叶变化和反傅里叶变化，得到第一振幅图和第一相位图；将第二物体全息图导入到DigitalMicrograph软件中进行傅里叶变化和反傅里叶变化，得到第二振幅图和第二相位图。

当第一全息图中包括第一真空全息图和第一物体全息图，第二全息图中包括第二真空全息图和第二物体全息图时，重构过程如下：将第一真空全息图和第一物体全息图一同导入到DigitalMicrograph软件中，然后进行傅里叶变化和反傅里叶变化，得到第一振幅图和第一相位图；将第二真空全息图和第二物体全息图一同导入到DigitalMicrograph软件中，然后进行傅里叶变化和反傅里叶变化得到第二振幅图和第二相位图。

S400，将第一振幅图和第二振幅图对齐，并记录对齐过程中的操作代码。

在进行第一振幅图和第二振幅图对齐时，以纳米颗粒的位置为参照进行对齐。

由于第一振幅图和第二振幅图分别为相同的一个或几个磁性纳米材料颗粒的振幅，当第一振幅图和第二振幅图完全重合时，表明将两次拍摄的颗粒位置完全重叠。

在其中一个实施例中，可通过DigitalMicrograph软件对第一振幅图和第二振幅图进行对齐。

S500，根据S400中的操作代码对齐第一相位图和第二相位图。

如果直接对第一相位信息图和第二相位信息图进行对齐，很难保证对齐效果。本步骤中第一相位信息图和第二相位信息图的对齐，是以振幅图的对齐为依据，根据振幅图对齐的操作代码进行对齐。该方式能够保证第一相位图和第二相位图的有效对齐，能够有效去除磁性纳米材料内部的电场信号，利于后续微观磁结构的分析。

S600，处理对齐后的第一相位图和第二相位图，得到磁性纳米材料的微观磁结构。

作为一种可实施方式，将对齐的第一相位图和第二相位图相减，得到由试样的磁信号引起的相位变化图；将得到的由所述试样的磁信号引起的相位变化图进行平滑处理后放大，得到试样的微观磁结构图像。

图4利用本发明的方法得到的磁性纳米材料微观磁结构的一实施例的图像。通过对微观磁结构图像进行分析，可以对微观的单个颗粒或几个颗粒的磁性能评价提供更多的信息，如颗粒的单多磁畴状态，颗粒之间的静磁相互作用、壳层结构的软硬磁相的交换耦合作用，磁场作用下的颗粒的磁化强度大小方向的改变，以及各向异性和磁化强度随温度的变化等。

需要说明的是，将对齐的第一相位图和第二相位图相加，即可得到由试样的电场信号引起的相位变化图，进而得到试样的厚度信息。

本发明的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，利用洛伦兹透射电镜进行观测并拍摄全息图，能够表征厚度在100nm以下的磁性纳米颗粒和磁性纳米线的微观磁结构。在进行全息图的对齐时，首先将振幅图进行对齐，然后根据振幅图的对齐代码，将相位图进行对齐，实现了全息图对齐的准确性，能够有效去除磁性纳米材料内部的电场信号，最终能够准确表征磁性纳米材料的微观磁结构，得到更多的磁性信息。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100，制备洛伦兹透射电镜所需的磁性纳米材料的试样；

S200，在洛伦兹透射电镜中对所述试样进行观察，并拍摄第一全息图和第二全息图；

S300，分别对所述第一全息图和所述第二全息图进行重构；

其中，所述第一全息图重构后得到第一振幅图和第一相位图；所述第二全息图重构后得到第二振幅图和第二相位图；

S400，将所述第一振幅图和所述第二振幅图对齐，并记录所述对齐过程中的操作代码；

S500，根据S400中的操作代码对齐所述第一相位图和所述第二相位图；

S600，对所述对齐后的第一相位图和第二相位图进行后续处理，得到所述磁性纳米材料的微观磁结构。

2.根据权利要求1所述的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，其特征在于，所述第一全息图包括第一物体全息图和第一真空全息图；

所述第二全息图包括第二物体全息图和第二真空全息图。

3.根据权利要求1所述的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，其特征在于，S100中，所述磁性纳米材料的试样的厚度小于100nm。

4.根据权利要求1所述的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，其特征在于，S100包括以下步骤：

分散：将待测磁性纳米材料稀释在溶剂中，用超声分散3～10min；

滴样：取所述分散步骤中超声完毕后的上层清液，滴3～4滴于厚度小于10nm的碳膜或微栅上，溶剂完全挥发后得到洛伦兹透射电镜所需的磁性纳米材料的试样。

5.根据权利要求1所述的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，其特征在于，S200中，所使用的洛伦兹透射电镜的电子全息空间分辨率为3nm。

6.根据权利要求2所述的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，其特征在于，S200包括以下步骤：

S210，将所述试样置于所述洛伦兹电镜的样品台上，拍摄所述试样中某一个或某几个颗粒对应的全息图，得到第一物体全息图；并拍摄所述试样中空白处对应的全息图，得到第一真空全息图；

S210，将所述样品台上的试样翻面，再次拍摄所述试样中与与S210中相同的一个或几个颗粒的全息图，得到第二物体全息图；并拍摄所述试样中空白处对应的全息图，得到第二真空全息图。

7.根据权利要求2所述的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，其特征在于，S200包括以下步骤：

S210’，将所述试样置于所述洛伦兹电镜的样品台上，找到所述试样的容易轴，沿所述容易轴方向施加磁场，拍摄所述试样中某一个或某几个颗粒对应的全息图，得到第一物体全息图；并拍摄所述试样中空白处对应的全息图，得到第一真空全息图；

S220’，反向施加所述磁场，再次拍摄所述试样中与S210中相同的一个或几个颗粒的全息图，得到第二物体全息图；并拍摄所述试样中空白处对应的全息图，得到第二真空全息图。

8.根据权利要求1所述的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，其特征在于，S300中，所述第一全息图和所述第二全息图的重构包括以下步骤：

分别对所述第一全息图和所述第二全息图进行傅里叶变化；

分别对所述经过傅里叶变化的第一全息图和第二全息图进行反傅里叶变化；

所述第一全息图进行反傅里叶变化后得到第一振幅图和第一相位图；所述第二全息图进行反傅里叶变化后得到第二振幅图和第二相位图。

9.根据权利要求1所述的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，其特征在于，S600中，对所述对齐后的第一相位图和第二相位图进行后续处理包括以下步骤：

将所述对齐后的第一相位图和第二相位图相减，得到由所述试样的磁信号引起的相位变化图；

将得到的由所述试样的磁信号引起的相位变化图进行平滑处理后放大，得到所述试样的微观磁结构图像。

10.根据权利要求9所述的利用电子全息技术表征磁性纳米材料微观磁结构的方法，其特征在于，S600中，对所述对齐后的第一相位图和第二相位图进行后续处理还包括以下步骤：

将所述对齐后的第一相位图和第二相位图相加，平滑处理后放大，得到由所述试样的电场信号引起的相位变化图。