高分辨透射電子顯微鏡是研究微觀結(jié)構(gòu)的有力工具。獲得可解釋的高分辨像，樣品厚度要滿足苛刻的要求-弱相位物體近似。可以選擇在Scherzer欠焦下觀察，但有時不得不在大欠焦下拍攝圖像提高圖像襯度，比如在冷凍電鏡中通常拍攝的離焦量為1-2μm，通過扣除成像過程中的襯度傳遞函數(shù)來獲得樣品的投影結(jié)構(gòu)。實(shí)際中，很難獲得如此薄的樣品（冷凍電鏡中樣品厚度通常在100nm左右），此時高分辨成像過程中電子束之間會發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。高分辨電子顯微像包含線性成像信息、非線性成像信息，而已有的像襯理論通常以線性信息為研究對象，難以滿足定量化的要求，因此有必要對非線性信息進(jìn)行更加深入的研究。

　　在以往研究中，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室常云杰等結(jié)合透射交叉系數(shù)理論和贗弱相位物體近似理論，獲得了衍射圖中線性信息和非線性信息的解析表達(dá)式，并提出線性、非線性分離的方法。對分離后結(jié)果的研究發(fā)現(xiàn)，晶體厚度增大后，即使在Scherzer欠焦下線性成像也會偏離晶體結(jié)構(gòu)，而非線性信息則更復(fù)雜。特殊條件下，非線性信息能夠在某種程度下反映輕原子位置，比如負(fù)球差成像（這一現(xiàn)象已在實(shí)驗(yàn)上觀察到）。這表明，可嘗試?yán)梅蔷€性成像所包含的信息用于晶體結(jié)構(gòu)的確定而不是簡單地拋棄。

　　此外，透射交叉系數(shù)理論（TCC）以及楊氏干涉條紋實(shí)驗(yàn)表明，非線性信息的信息極限遠(yuǎn)高于線性信息的信息極限，在高頻信息中起到主要作用。在球差為零的條件下，S.Van Aert等提出非線性信息的信息極限約是線性信息的倍。研究結(jié)果顯示，在通常理論可解釋的線性信息極限之外，仍存在高頻率的結(jié)構(gòu)信息，有可能被用作結(jié)構(gòu)信息的測定，但目前關(guān)于利用非線性信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究的報(bào)道甚少。

　　近日，物理所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室的科研人員，以AlN為模型使用數(shù)值模擬方法，研究了不同厚度不同成像條件下衍射束的相位。研究發(fā)現(xiàn)對于普通電鏡成像，當(dāng)樣品比較薄的時候，信息極限以內(nèi)的012衍射斑的相位隨著離焦量的變化而變化，但當(dāng)樣品厚度較厚時相位近似為一個常數(shù)，且與物體的結(jié)構(gòu)因子的相位基本一致。通過分離線性和非線性部分發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樣品較薄時非線性部分的影響可以忽略，線性部分的相位隨著離焦量的變化而變化；當(dāng)樣品較厚時，非線性成像的影響占主導(dǎo)地位，且非線性部分的相位近似為一個常數(shù)，接近結(jié)構(gòu)因子。對超出線性信息極限的更高頻的013衍射的研究可以得到類似的結(jié)論，且由于頻率更高，013衍射的相位在樣品更薄的時候就趨于常數(shù)，即對于高頻的衍射束，其非線性效應(yīng)在同等樣品厚度下比低頻衍射束更顯著。利用超出線性信息極限的衍射點(diǎn)013的信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析，可分開AlN方向投影的Al-N的啞鈴對。也就是說，得益于非線性信息的存在，即使普通的透射電子顯微鏡也可以得到更高分辨率的結(jié)構(gòu)信息。雖然部分機(jī)理尚不清楚，但提供了新思路，即“變廢為寶”，充分利用不可避免的厚樣品的非線性效應(yīng)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Microscopy上。

　　研究工作受到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中科院的支持。

　　目前，已有的像襯理論通常以線性信息為研究對象，難以滿足定量化的要求。研究人員在線性效應(yīng)可應(yīng)用性研究取得進(jìn)展，即使普通的透射電子顯微鏡也可以得到更高分辨率的結(jié)構(gòu)信息。雖然部分機(jī)理尚不清楚，但為后續(xù)研究工作提供了新思路，相信日后我國在這一領(lǐng)域還將有更深發(fā)現(xiàn)。