东京科学大学物质理工学院的三宫工教授、日本电子公司（JEOL）的安原聪博士、FH electron optics负责人细川史生、京都工艺纤维大学的浅冈定幸副教授、同志社大学的弥田智一教授等组成的研究团队，通过在扫描透射电子显微镜中引入半圆形光阑，开发出了一种相位成像方法，实现了从低空间频率到高空间频率的信息传输均匀化。该方法简单且成本低廉，且能实现高对比度成像，因此有望推动难以实现高对比度的有机材料、生物样本及磁性材料的研究与开发。相关研究成果已发表在《Ultramicroscopy》的在线版上。
图1使用新方法进行的有机材料、生物样本、磁性材料成像示例（供图：东京科学大学。摘自《Ultramicroscopy》，（Ultramicroscopy,114103，2025））
电子显微镜能够以原子尺度的高空间分辨率可视化物质结构，但对于由轻元素组成、尺寸在几十至数百纳米级别的有机物或生物样本，由于电子束散射较弱，空间频率较低，因此难以实现高对比度成像。
最近，为了解决这一问题，电子显微镜开始采用类似于光学显微镜中的相衬法，即利用相位板的相位成像方法。然而，传统方法存在电子束的照射会导致相位板自身随时间劣化的问题。
研究团队在常规的扫描透射电子显微镜明场成像方法中，使用半圆形光阑代替传统的圆形光阑，开发出了一种同时包含低空间频率和高空间频率的相位对比度传递函数的相位成像方法。由于该对比度传递函数不仅包含通常的明场图像成分，还包含微分相位对比度成分，因此无论焦距如何，所有空间频率的强度成分都能均匀地获得。
当在将该新方法应用于有机材料、生物样本和磁性样本的可视化时，研究团队确认，与传统的明场成像方法相比，新方法能够实现更高对比度的成像。特别是在有机材料和生物样本中，可以观察到与微分相位对比成分相对应的边缘处强烈的对比度增强。而在磁性材料的观察中，传统方法无法成像的磁畴（磁区）得到了清晰可见的成像。
通过此次开发的方法，可在传统的扫描透射电子显微镜中使用半圆孔径光阑进行高对比度相位成像，因此可以在几乎与普通电子显微镜相同的低成本配置下，获得高质量成像。在生物领域，该方法可用于观察未经染色的生物组织，从而避免以往必须进行染色处理的需求。在有机材料研究方面，过去的观察通常需要染色，尽管这种方法可能会导致材料结构的变化，但仍被广泛使用。新方法则能直接观察材料的原始结构，因此未来有望推动材料开发和分析。此外，该方法不仅可用于结构成像，还可用于半导体中的电势分布分析以及磁性材料中的磁场解析，因此预计未来将在器件开发领域得到广泛应用。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Ultramicroscopy
论文：Semicircular-aperture illumination scanning transmission electron microscopy
DOI：10.1016/j.ultramic.2025.114103
