CN112485277A - 一种对原子核成像的显微方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种对原子核成像的显微方法，包括以下步骤：使用能谱仪或电子能量损失谱仪对样品的观察区域进行面扫，得到X光能量或电子能量损失的面扫数据；获得所述观察区域内的能谱(EDS)或电子能量损失谱(EELS)；选择所述EDS或EELS中的一段或多段无特征峰干扰能量范围，其中，所述无特征峰干扰能量范围是指其中特征峰强度对谱线强度的影响低于1％的能量范围；以及基于所述面扫数据，针对所述一段或多段无特征峰干扰能量范围内的能量在所述观察区域内作累积强度分布图，以得到所述样品的所述观察区域中的原子的原子核像。本发明的显微方法实现了用光学或电子束损失的能量对原子核进行成像观察。

Description

一种对原子核成像的显微方法
技术领域
本发明涉及对材料的显微表征领域，特别涉及一种对原子核成像的显微方法。
背景技术
众所周知，原子是由原子核和核外电子组成的。自然界中许多物质的多种性质都与原子核有关。特别是近些年来，原子核在核电、放射性物质、医疗、军工等领域发挥着重要的作用。同时，原子核在研究核衰变、核裂变、核聚变等领域中扮演着极其重要的角色。自从100多年前原子核被发现以来，对原子核进行成像是科研工作者追求的目标。然而，迄今为止，利用光学或电子束损失的能量对原子核成像从未被实现过，因为对这些极其微小的物体进行成像是非常困难的。虽然光学显微镜的分辨率早已突破光学衍射限制，其中光学超分辨显微镜最好的分辨率己达1纳米，但是至今还不能用光学显微或电子束损失的能量对原子核进行成像。
由于研究原子核在上述多个领域中都具有非常重要的意义，但是到目前为止，还没有任何光学研究方法或电子能量损失方法可以对原子核进行成像，所以开发出一种可以用光学或电子束损失的能量对原子核成像的方法显得尤为重要。
发明内容
本发明提供一种用光学或电子束损失的能量对原子核成像的方法。
在本发明的一个方面，提供一种对原子核成像的显微方法，包括以下步骤：
使用能谱仪或电子能量损失谱仪对样品的观察区域进行面扫，得到X光能量或电子能量损失的面扫数据；
获得所述观察区域内的能谱(EDS)或电子能量损失谱(EELS)；
选择所述EDS或EELS中的一段或多段无特征峰干扰能量范围，其中，所述无特征峰干扰能量范围是指其中特征峰强度对谱线强度的影响低于1％的能量范围；以及
基于所述面扫数据，针对所述一段或多段无特征峰干扰能量范围内的能量在所述观察区域内作累积强度分布图，以得到所述样品的所述观察区域中的原子的原子核像。
在一个实施方案中，所述一段或多段无特征峰干扰能量范围选自所述EDS或EELS中的纯背底区域能量范围。
在一个实施方案中，所述累积强度分布图是对强度归一化的灰度图。
在一个实施方案中，在所述累积强度分布图中，通过强度波动的特征尺寸形成原子核像，所述特征尺寸包括半高宽、直径或半径。
在一个实施方案中，根据所述特征尺寸区分不同种类的原子核。
在一个实施方案中，通过比较两幅针对不同的无特征峰干扰能量范围内的能量所作的原子核像，比较原子核外的库仑场分布。
在一个实施方案中，使用与所述能谱仪或电子能量损失谱仪配合的电子显微镜观察所述观察区域。
在一个实施方案中，所述电子显微镜是扫描透射电子显微镜。
在一个实施方案中，所述样品是单质、合金、或化合物。
附图说明
图1(a)为实施例1中采集得到的Au-Pd-Pt合金的观察区域的Au、Pd和Pt的原子分辨EDS特征峰面扫图；(b)为(a)对应的EDS谱。图上的用E1、E2标注的灰色直线之间的区域为选择的背底区域。
图2(a)、(b)为实施例1中针对图1(b)中EDS谱上的E1、E2区域的非特征能量作的X光能量的累积强度分布图，(c)、(d)为对应的过滤噪音后的累积强度分布图。
图3为实施例1中测量原子核像半高宽的方法。
图4(a)、(b)为实施例1中在E1、E2累积强度分布图上选出的20个原子核像的位置点，(c)、(d)为E1、E2累积强度分布图上各位置处原子核像半高宽值的柱状图。
图5(a)为实施例2中采集得到的金样品的观察区域的原子分辨结构像(HAADF像)；(b)为(a)对应的EDS谱。图上的E1、E2为选择的背底区域。
图6(a)、(b)为实施例2中针对图5(b)中EDS谱上的E1、E2区域的非特征能量作的X光能量的累积强度分布图，(c)、(d)为对应的过滤噪音后的累积强度分布图。
图7(a)、(b)为实施例2中在E1、E2累积强度分布图上选出的10个原子核像的位置点，(c)为E1、E2累积强度分布图上各位置处原子核像半高宽值的柱状图。
图8(a)为实施例3中采集得到的SrTiO3样品的观察区域的原子分辨EDS特征峰面扫图；(b)为(a)对应的EDS谱。图上的E1、E2为选择的背底区域。
图9(a)、(b)为实施例3中针对图8(b)中EDS谱上的E1、E2区域的非特征能量作的X光能量的累积强度分布图，(c)、(d)为对应的过滤噪音后的累积强度分布图。
图10(a)、(b)为实施例3中在E1、E2累积强度分布图上选出的10个Sr原子核像的位置点，(c)为E1、E2累积强度分布图上各位置处Sr原子核像半高宽值的柱状图；(d)、(e)为实施例3中在E1、E2累积强度分布图上选出的10个Ti/O原子核像的位置点，(f)为E1、E2累积强度分布图上各位置处Ti/O原子核像半高宽值的柱状图。
图11(a)为实施例3中E1累积强度分布图上10个Sr原子核像的位置点(1～10)和10个Ti/O原子核像的位置点(11～20)，(b)为比较Sr和Ti/O原子核像的半高宽值的柱状图。
图12(a)为实施例3中E2累积强度分布图上10个Sr原子核像的位置点(1～10)和10个Ti/O原子核像的位置点(11～20)，(b)为比较Sr和Ti/O原子核像的半高宽值的柱状图。
具体实施方式
本发明成功开发出一种可以用X光或电子损失的能量对原子核成像的方法，这也是首次实现了用光学或电子束损失的能量对原子核进行成像观察，其中的X光成像将光学显微的分辨率提高至1皮米。这种方法不受被成像的材料种类及其形貌的限制，可以快速方便地观察到原子核像。
通常，当对样品进行EDS或EELS面扫(mapping)测量时，在样品的观察区域中使用电子束扫描样品，并逐个检测每个测量点发出的X光光子或透射的电子能量损失。具体地，检测每个测量点发出的X光光子或透射电子能量损失按不同能量的个数分布或强度分布，并将所有测量点的测量值累加，得到观察区域中总的能量-计数(强度)图。该能量-计数(强度)图即为观察区域内的能谱或电子能量损失谱。对于EDS来说，能量-计数图体现在整个观察区域中不同能量的X光子的个数的分布，而对于EELS来说，能量-强度图体现在整个观察区域中不同的损失能量的强度。从能量-计数(强度)图中，可以看到一些明显的峰。这些峰表示样品发出的X光或透射电子能量损失在特定能量处突然增加，被称为特征峰并且源自电子束与核外电子之间的相互作用，并且依赖于样品成分原子的核外电子能级。一般地，针对特征峰处的能量作强度的面扫图，可以获得不同元素的面分布等关于原子的信息。
本发明的发明人创造性地发现，针对无特征峰干扰能量范围作累积强度分布图(强度面扫图)，可以实现对原子核成像。
本发明提供一种对原子核成像的显微方法，包括以下步骤：
使用能谱仪或电子能量损失谱仪对样品的观察区域进行面扫，得到X光能量或电子能量损失的面扫数据；
获得所述观察区域内的能谱(EDS)或电子能量损失谱(EELS)；
选择所述EDS或EELS中的一段或多段无特征峰干扰能量范围，其中，所述无特征峰干扰能量范围是指其中特征峰强度对谱线强度的影响低于1％的能量范围；以及
基于所述面扫数据，针对所述一段或多段无特征峰干扰能量范围内的能量在所述观察区域内作累积强度分布图，以得到所述样品的所述观察区域中的原子的原子核像。
在一个实施方案中，本发明提供了一种可以用X光或电子束损失的能量对原子核成像的方法，包括以下步骤：
(1)使用扫描透射电镜中的电子束激发样品的能谱信号或电子能量损失谱信号，用能谱(EDS)仪或电子能量损失谱(EELS)仪采集得到样品的EDS或EELS面扫计数及其对应谱，其中的EDS面扫计数及其谱由X光子的信号组成，EELS面扫计数及其谱由电子束损失的能量组成；
(2)在所述步骤(1)得到的EDS或EELS谱上选择一个(或者数个)没有特征峰干扰的背底(在EDS中即连续X光)区域，并用所选的背底区域内的谱学信号来做面扫图就可以得到一种或多种不同元素的原子核像；
(3)在所述步骤(2)得到的面扫图上可以测量出原子核像的半高宽、半径或直径等尺寸数据，对于含有多种元素的样品，可以用这些尺寸数据的大小直接区分出不同元素的原子核，原子序数越高的原子核的像尺寸越大。
本发明的发明人发现，当在观察区域针对无特征峰干扰能量范围内的能量作强度分布图时，这些能量在样品的观察区域中各空间位置处的强度分布与核外电子跃迁无关，仅与电子束和原子核的相互作用有关。在远离原子核的位置处，电子束与原子核没有相互作用，因此发射的这些能量的X光子或这些能量的电子能量损失很少，其谱强度很低。当电子束靠近原子核达到一定程度后，其与原子核的相互作用变大，发射这些能量的X光子或这些能量的电子能量损失的强度迅速上升，这可以归因于下文详述的轫致辐射。因此，在针对无特征峰干扰能量范围内的能量所作的强度分布图(本文中有时也称为强度面扫图，或面扫图)中，高强度区即对应原子核及其附近的位置。
具体地，本发明提供了一种可以用X光或电子束损失的能量对原子核成像的方法。本发明用电子束(例如由扫描透射电镜发出的电子束)激发样品，用EDS或EELS谱仪首先采集到样品的EDS或EELS面扫计数及对应谱。这些谱的不受特征峰干扰的背底信号主要来自于轫致辐射，即当电子束在靠近样品中的原子的原子核时，由于原子核的库仑场的作用，电子束中的电子会减速，从而损失能量。这些损失的能量以X光的方式释放出来，这些电子离原子核越近，释放出来的能量就越多。这样得到的X光具备连续分布的能量，发射它们的辐射过程即称为轫致辐射(参见：《中国大百科全书》74卷(第二版)物理学词条：轫致辐射)。本发明在EDS或EELS谱上选择一个或多个不受特征峰干扰的背底区域，然后用这些背底区域内的谱学信号来做面扫图，这样得到的面扫图就是原子核像。其中，用同一个EDS或EELS谱上的数段不同能量区间的背底信号可得到数张不同的面扫图，并且同种原子在不同面扫图中的像的尺寸不同。对这些面扫图，可以测量出其内每个原子核像的半高宽、半径或直径等尺寸信息。因为距离原子核越近时，轫致辐射释放出来的X光能量越高，电子能量损失也越高，因此针对高能量的X光能量或电子能量损失所作的面扫图中得到的原子核像比针对低能量所作的面扫图小。由此，可以通过比较原子核像尺寸的大小而得知在距离原子核不同位置处的库仑场大小。更为重要的是，对于含有多种不同元素的原子核的样品，因为原子序数越高的原子核含有更多的质子和中子并且因此更大，所以可以在该样品的同一张面扫图上用原子核像的尺寸直接区分出不同元素的原子核。上述方法可操作性强，比较容易掌握，适用范围广。实验结果表明，本发明提供的方法能够看到多种元素的原子核像以及区分出不同元素的原子核。
尽管从理论上说，仅针对无特征峰干扰能量范围中的一个能量值作强度分布图也可能获知原子核的信息，但通常单一能量值的能量的绝对强度都比较低，并且容易受到环境、设备等的干扰和影响，难以获得理想的分布图。因此，本发明选择一段或多段无特征峰干扰能量范围，并且作在这些能量范围内的能量在观察区域内的累积强度分布图，即，每一个测量点的强度值为一段或多段无特征峰干扰能量范围中全体能量值的强度的总和，从而成功地得到原子核图像。本文对于各段能量的跨度没有特别的规定。可以选择0.5keV以上的能量跨度，例如0.5keV以上的能量范围，1keV以上的能量跨度。多段无特征峰干扰能量范围的能量跨度是彼此无关的。
在本发明中，能谱(EDS)或电子能量损失谱(EELS)指的是在对样品的一个区域用电子束扫描时探测到的能量-计数(强度)图。可以使用EDS或EELS中的任一种来完成本发明的对原子核成像的方法。
使用EDS仪或EELS仪测量EDS或EELS。具体地，EDS仪或EELS仪可以通过面扫测量样品上的各点在受电子束照射后发出的X光的能量或电子束的透射能量损失，获得有关的面扫数据。获得EDS或EELS的方式是本领域公知的。EDS仪或EELS仪可以与电子显微镜联合使用，以方便地对样品的观察区域进行测量和观察。本发明的观察区域指的是需要进行原子核成像的样品区域。
在本发明中，EDS或EELS中的“无特征峰干扰能量范围”指的是谱中基本上不显示特征峰或基本上不受特征峰干扰的部分。换言之，与由核外电子跃迁导致的特征峰相反，背底的X光或电子能量损失强度不是由于核外电子在能级间的跃迁导致的。在EDS或EELS中，可以认为特征峰区域同时表现了核外电子跃迁行为和轫致辐射等行为，而特征峰以外的无特征峰干扰能量范围内的能量(包括纯背底)区域则基本上不涉及核外电子跃迁行为。
在本发明中，无特征峰干扰能量范围内的能量意指在EDS或EELS中基本上不受特征峰影响的能量。一般说来，纯背底区域(即完全不存在特征峰的区域)的能量均是无特征峰干扰能量范围内的能量。应当注意，由于特征峰具有宽度，特征峰区域与纯背底区域的界线可能是模糊的。此外，对应于某些核外电子跃迁，虽然在EDS或EELS中应存在特征峰，但峰强度非常弱。当特征峰足够弱并且对背底的影响足够小时，该处的能量也主要表现轫致辐射行为。在本发明中规定，当特征峰与背底的高度差低于按背底高度计1％时，即可认为该处的能量属于无特征峰干扰能量范围内的能量。该高度差越低，特征峰对原子核成像的影响越小。更优选地，该高度差低于千分之五，更优选低于千分之一。最理想地，使用与特征峰完全无关的纯背底区域中的能量。在此，元素的种类及其特征峰位置是本领域技术人员可以从EDS或EELS中确定的。特别是，本领域技术人员还可以从元素的主特征峰推出其一些不显著的特征峰的位置。不过，当样品中元素种类较多时，有可能不容易找到完全不受所有原子的所有特征峰影响的能量范围。因此，本发明的方法将能量范围从纯背底区域稍加放宽。本发明对于无特征峰干扰能量范围的具体选择方式没有限定。
本发明的方法中的累积强度分布图或者说强度面扫图是针对一段或多段无特征峰干扰能量范围内的多个能量所作的。当针对多个无特征峰干扰能量范围内的能量作累积强度分布图时，将针对每个无特征峰干扰能量范围内的能量所作的强度分布图进行叠加，以得到总的累积强度分布图。从理论上说，所述多个无特征峰干扰能量范围内的能量可以是连续的或离散的，即可以选择能量区间，也可以选择彼此分隔的能量值。本发明对此不作限定。不过通常，即使选择宏观上连续的能量区间，由于EDS或EELS的探测器的分辨率的限制，能量区间中的能量从微观上看实际上也是离散的。
本发明中所称的针对能量在观察区域内作累积强度分布图，指的是在观察区域中的不同位置处，测量所针对的能量的累积强度；随后，将累积强度表示在各个测量位置上，例如通过灰度表示。测量通过使用能谱仪或电子能量损失谱仪对样品的观察区域进行面扫，得到X光能量或电子能量损失的面扫数据来完成。面扫数据中包括每个测量点的在观察区域内的平面位置，以及在每个测量点X光能量或电子能量损失的强度对能量的分布，即每个测量点处每个能量值的强度。因此，从上述面扫数据，即可以作上述累积强度分布图。
例如，当针对能量E作面扫图时，对一定观察区域内的样品逐点进行EDS或EELS分析，考察每点处能量E的强度。
具体地，当针对多个能量Ea1、Ea2、...Ean作累积强度分布图时，在每个位置处将Ea1、Ea2、...Ean的强度之和Itotal表示在各个位置上。可以使用不同灰度或颜色将强度Itotal表示在各个位置上。可以将能量Itotal的强度归一化，将能量Itotal最强(即强度为1)处的位置用白色表示，将不存在能量Itotal(即强度为零)的位置用黑色表示，并且将其他位置根据强度用不同深度的灰色表示(或反之，最强处用黑色，强度为零处用白色)。这样，累积强度分布图中使不同的强度对应于不同的灰度，即形成了观察区域中样品的原子的原子核的像。当然，也可以用其他可视化方法表示不同的强度，例如用彩色图来表示，只要可以直观地观察各位置能量Itota1强度的不同即可。同样，当针对能量区间Eb作累积强度分布图时，在每个位置处将能量区间Eb中能量的强度之和可视化地表示在各个位置上，其中能量区间Eb中实际测量的能量取决于EDS或EELS能量探测器的分辨率。
在针对无特征峰干扰能量范围内的能量所作的累积强度分布图中，离原子核越近的位置的X光子能量累积强度或电子损失能量累积强度越高，而离原子核越远的位置的X光子能量累积强度或电子损失能量累积强度越低。因此，通过本发明的方法的原子核成像，便可以直观地观察原子核。
以EDS中选择Ea1、Ea2、Ea3三个能量值，其中Ea1＜Ea2＜Ea3为例。当电子束距离原子核中心远时，不会发出高达上述能量的轫致辐射，因此在离原子核中心较远处与轫致辐射导致的累积强度为零或极低。当电子束靠近原子核中心达到一定距离时，开始可以发出高达Ea1的轫致辐射，但仍不能发出高达Ea2、Ea3的轫致辐射。此时三个能量的累积强度仅由Eal贡献。当电子束进一步靠近原子核中心时，开始可以发出高达Ea2的轫致辐射，但仍不能发出高达Ea3的轫致辐射。此时三个能量的累积强度仅由Ea1、Ea2贡献。当电子束更进一步靠近原子核中心时，开始可以发出高达Ea3的轫致辐射。此时三个能量的累积强度由Ea1、Ea2、Ea3贡献。这样，电子束越靠近原子核中心，获得的累积强度就越高。在针对Ea1、Ea2、Ea3的面扫图中，即可根据累积强度的分布，对原子核进行成像。
如上所述，理论上，针对一个无特征峰干扰能量范围内的能量值作强度分布图，也可能获得原子核的像。不过，考虑到在当前仪器水平下的环境扰动和探测精度，仍需使用多个无特征峰干扰能量范围内的能量，或者一定能量区间中的能量。通过将它们叠加，减少扰动，增加图像的稳定性。
在EDS或EELS检测中，探测器可以探测到按能量分散的关于全部能量值的信号。因此，作累积强度分布图时，只需要从当获得所述观察区域内的能谱(EDS)或电子能量损失谱(EELS)时探测到的所有信号中选取合适的能量的信号进行处理来获得原子核的像即可。当然，也可以再次进行面扫测量。
如上所述，在本发明的方法中使用多个能量。多个能量可以是离散的或连续的。可以使用一个能量区间中的能量，或两个或更多个能量区间中的能量。所述能量区间优选是不含任何特征峰的纯背底区域。本发明提及能量区间时，若无特殊说明，指的是其中所有检测到的能量，并且其强度、计数等是其中各单独能量的强度、计数的总和。
在所述累积强度分布图中，可以通过强度波动(或起伏)的特征尺寸形成原子核像，所述特征尺寸包括半高宽、直径或半径。可以根据所述特征尺寸区分不同种类的原子核。
通过沿原子核的像的直径作针对所用能量的强度图，可以对原子核进行更具体地分析。具体地，可以测量其半高宽(下文有时称为“像的半高宽”)。由于原子核的像有灰度的变化，相对于原子核的像的直径/半径，半高宽可以作为衡量原子核尺寸的更有效的参数。
在不同原子核处针对相同无特征峰干扰能量范围内的能量所成的像中，半高宽越大，表示原子核越大。
如前文所述，可以通过比较在同一原子核处针对不同无特征峰干扰能量范围内的能量所成的像的半高宽，得知在距离原子核不同位置处的库仑场大小。
EDS和EELS可以通过用能谱仪或电子能量损失谱仪与电子显微镜配合使用来获得。电子显微镜的配合是指用电子显微镜选取样品区域以及使用电子显微镜的电子束激发该样品区域的EDS或EELS信号。电子显微镜可以适当地选择扫描电子显微镜、透射电子显微镜或扫描透射电子显微镜，优选使用扫描透射电子显微镜和扫描电子显微镜。本发明对电子显微镜、能谱仪或电子能量损失谱仪的型号不作特殊规定。
在进行本发明的方法时，可以使用电子显微镜同时得到样品的原子分辨图像。原子分辨图像不是原子核的像，但可以与原子核像配合，用于样品的分析。原子分辨图像对于在样品上选择合适的观察区域来说是方便的。原子分辨图像可以是例如样品的高角环形暗场像。原子分辨图像可以是扫描透射电镜在不同放大倍率下采集的原子分辨图像。
在形成原子核的像的过程中，可以对图进行降噪处理，以使图像更清晰。降噪处理可以使用电子显微领域各种公知的方式。可以使用与常规EDS或EELS针对特征峰能量面扫时相同的信号降噪手段，来对针对本发明的面扫图进行降噪，以获得良好的原子核像。
本发明的方法可以分析的样品的材料可以是单质、合金、以及各种化合物。其可以是晶体，也可以是非晶体。对于本发明的样品，可以使用各种在EDS和EELS中可行的样品制备和处理方法。
通过以下实施例来进一步说明本发明。实施例仅仅是示例性的，而非限制性的。
实施例1：
用Au-Pd-Pt合金样品来观察原子核像的方法，具体如下：
(1)先把Au-Pd-Pt合金样品用微栅(一种承载样品的小孔碳骨架铜网)承载，再把微栅放入一台扫描透射电镜(型号是JEOL JEM-ARM 300F，它的电子束直径为
Figure BDA0002177487420000111
)，用该电镜上配备的EDS谱仪采集得到该合金样品任意一个微观区域的EDS特征峰面扫图及其EDS谱，如图1所示。
(2)在(1)采集得到的EDS谱上，选择两个没有特征峰干扰的背底区域(如图1b中浅灰色直线区域所示)，所选的能量区间分别是E1为3.54～4.34keV、E2为5.28～6.08keV。再用这两段背底区间的X光信号面扫数据，对累积强度分别做面扫图，再对得到的面扫图过滤掉噪音，如图2所示。
(3)在(2)过滤噪音后的E1、E2面扫图上分别选择20个原子核像，编号为1-20。其中序号相同的原子核像在样品中代表着同一个位置。分别测量出每个原子核像的半高宽，测量方法见图3。通过比较E1面扫图和E2面扫图上同一个位置处的原子核像的半高宽大小，可以发现E1处原子核像的半高宽值比E2处的值要大，如图4所示，这是因为E1处对应的能量小，意味着电镜的电子束所损失的能量(该能量可组成EELS谱、与EDS谱对应)小，能量小的轫致辐射发生在离原子核中心较远的位置，而E2处对应的能量大，其发生轫致辐射的位置离原子核中心较近。
实施例2：
用纳米多孔金(NPG)样品(即内含纳米级孔道的金样品)来观察原子核像的方法，具体如下：
(1)先把NPG样品用微栅(一种承载样品的小孔碳骨架铜网)承载，再把微栅放入一台扫描透射电镜(型号是FEI Titan Cubed Themis G2 300，它的电子束直径是
Figure BDA0002177487420000112
)，采集到NPG任意一个微观区域的原子分辨HAADF(high-angle annular dark-field，高角环形暗场)像，同时用EDS谱仪采集到这个HAADF区域对应的EDS信号，如图5所示。
(2)在(1)采集得到的EDS谱上，选择两个没有特征峰干扰的背底区域，所选的能量区间分别是E1为4.84～5.34keV、E2为5.54～6.04keV。用这两段背底区间的X光信号面扫数据，对累积强度分别做面扫图，再对得到的面扫图过滤去噪音，如图6所示。
(3)在(2)过滤噪音后的E1、E2面扫图上分别选择10个原子核像，编号为1-10。其中序号相同的原子核像在样品中代表着同一个位置。分别测量出每个原子核像的半高宽，测量方法和图3一样，然后比较E1面扫图和E2面扫图上同一个位置处的原子核像的半高宽大小，可以发现E1处原子核像的半高宽值比E2处的值要大，如图7所示，这是因为E1处对应的能量小，意味着电镜的电子束所损失的能量小，能量小的轫致辐射发生在离原子核中心较远的位置，而E2处对应的能量大，其发生轫致辐射的位置离原子核中心较近。
实施例3：
用钛酸锶(SrTiO3)样品来观察原子核像的方法，具体如下：
(1)先把钛酸锶样品放入一台扫描透射电镜(型号是FEI Titan Cubed Themis G2300，它的电子束直径是
Figure BDA0002177487420000121
)，用该电镜采集到该样品中任意一个微观区域的原子分辨EDS特征峰面扫图，同时用EDS谱仪采集到这个面扫图区域对应的EDS谱，如图8所示。
(2)在(1)采集得到的EDS谱上，选择两个没有特征峰干扰的背底区域，所选的能量区间分别是E1为5.24～6.14keV、E2为9.24～10.14keV。用所选的这两段背底区间的X光信号面扫数据，对累积强度分别做面扫图，再对得到的E1、E2面扫图过滤去噪音，如图9所示。
(3)在(2)过滤噪音后的E1、E2面扫图上分别选择10个Sr原子核像，编号为1-10，10个Ti/O原子核像(因为在SrTiO3的100方向上、Ti的位置与O的位置重合，所以记为Ti/O)，编号为11-20。其中序号相同的原子核像在样品中代表着同一个位置。分别测量出每个原子核像的半高宽，测量方法和图3一样，我们比较E1面扫图和E2面扫图上同一个位置处的原子核像的半高宽大小，可以发现E1处原子核像的半高宽值比E2处的值要大，如图10所示，这是因为E1处对应的能量小，意味着电镜的电子束所损失的能量小，能量小的轫致辐射发生在离原子核中心较远的位置，而E2处对应的能量大，其发生轫致辐射的位置离原子核中心较近。
(4)在过滤噪音后的E1面扫图上对10个Sr原子核像的半高宽做统计，同时也对10个Ti/O原子核像的半高宽值做统计，对比它们的半高宽值发现，Sr原子核像的半高宽值都比Ti/O原子核像的半高宽值大，所以可以据此差异而区分出Sr、Ti/O的原子核，如图11所示。
(5)在过滤噪音后的E2面扫图上对10个Sr原子核像的半高宽做统计，同时也对10个Ti/O原子核像的半高宽值做统计，对比它们的半高宽值发现，Sr原子核像的半高宽值都比Ti/O原子核像的半高宽值大，所以可以据此差异而区分出Sr、Ti/O的原子核，如图12所示。
从以上实施例可以看出，本发明提供的方法通过光学实现了对原子核的成像。
同样，通过EELS也可以实现对原子核成像。
本发明提供了一种用X光或电子束损失的能量对原子核成像的显微方法。该方法是将扫描透射电子显微方法、谱学面扫和轫致辐射结合起来。利用例如扫描透射电子显微方法中的电子束与样品中的原子核作用，产生轫致辐射。轫致辐射使电子束损失能量，所损失的能量产生X光子。同时利用谱学面扫的探头记录X光子或电子束损失的能量。电子束扫描和谱学面扫的坐标记录功能把这些获得的X光子或电子束损失的能量信号按照原子核及其周边的位置排布，从而获得原子核的像。本发明首次实现了利用X光或电子束损失的能量对原子核进行成像。同时本发明不仅能得到多种元素原子核的像，并能区分出这些原子核的像属于不同的元素，而且适用于不同种类的扫描透射电子显微镜，具备普适性。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种对原子核成像的显微方法，包括以下步骤：
使用能谱仪或电子能量损失谱仪对样品的观察区域进行面扫，得到X光能量或电子能量损失的面扫数据；
获得所述观察区域内的能谱(EDS)或电子能量损失谱(EELS)；
选择所述EDS或EELS中的一段或多段无特征峰干扰能量范围，其中，所述无特征峰干扰能量范围是指其中特征峰强度对谱线强度的影响低于1％的能量范围；以及
基于所述面扫数据，针对所述一段或多段无特征峰干扰能量范围内的能量在所述观察区域内作累积强度分布图，以得到所述样品的所述观察区域中的原子的原子核像。
2.根据权利要求1所述的对原子核成像的显微方法，其特征在于，所述一段或多段无特征峰干扰能量范围选自所述EDS或EELS中的纯背底区域能量范围。
3.根据权利要求1所述的对原子核成像的显微方法，其特征在于，所述累积强度分布图是对强度归一化的灰度图。
4.根据权利要求1所述的对原子核成像的显微方法，其特征在于，在所述累积强度分布图中，通过强度波动的特征尺寸形成原子核像，所述特征尺寸包括半高宽、直径或半径。
5.根据权利要求4所述的对原子核成像的显微方法，其特征在于，根据所述特征尺寸区分不同种类的原子核。
6.根据权利要求1所述的对原子核成像的显微方法，其特征在于，通过比较两幅针对不同的无特征峰干扰能量范围所作的原子核像，比较原子核外的库仑场分布。
7.根据权利要求1所述的对原子核成像的显微方法，其特征在于，使用与所述能谱仪或电子能量损失谱仪配合的电子显微镜观察所述观察区域。
8.根据权利要求7所述的对原子核成像的显微方法，其特征在于，所述电子显微镜是扫描透射电子显微镜或扫描电子显微镜。
9.根据权利要求1所述的对原子核成像的显微方法，其特征在于，所述样品是单质、合金、或化合物。
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