TEM 三维重构：技术流程 + 材料表征实例，解锁纳米尺度新视角

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）技术，是通过让高能电子束穿透样品，根据电子束的散射差异形成二维图像，从而观察纳米甚至原子尺度微观结构的技术。然而，传统的TEM技术只能提供二维投影，无法展现样品的立体全貌，这就需要引入三维重构技术来弥补。本文将介绍TEM检测中的三维重构技术的技术原理与相关的应用案例。

图1 由于投影的原因，二维图像无法反映真实的三维信息，甚至有可能造成假象

TEM 三维重构是利用透射电子显微镜（TEM）获取样品的二维投影图像，再通过计算机算法反向推算出样品三维结构的技术，其过程主要分为三个步骤：“原始数据采集—图像预处理—三维重构。”

原始数据采集：获取多角度二维投影，三维重构的基础。

· 样品倾斜：将样品放在可旋转的样品台上，围绕特定轴逐步倾斜，倾斜角度范围通常为-60°到+60°。

· 图像拍摄：每倾斜一个角度，拍摄一张对应的二维TEM图像，最终获得一套“多角度投影图像序列”。

图像预处理：提升数据质量，为后续重构做准备。

· 噪声去除：采用滤波算法降低电子噪声对图像的影响

· 图像对齐：由于样品倾斜时可能存在微小位移，需通过特征匹配将所有图像对齐到同一坐标系。

三维重构：算法反推样品结构

·重构逻辑：将每一张二维投影图像看作是三维结构在该角度下的 “影子”，算法会根据投影角度的几何关系，将各图像的像素信息反向叠加到三维空间的对应位置，逐步构建出三维密度分布模型。

·结果输出：最终生成可在计算机上观察、旋转和分析的三维结构模型，模型的分辨率取决于原始图像的质量和倾斜角度的数量。

图2 TEM三维重构技术原理图

实例1：表征材料的立体空间形貌——纳米球包裹纳米纤维

当合成纳米球并包裹纳米纤维时，无法直观从TEM二维图片中判断纳米纤维是否均匀分布在纳米球上，利用三维重构技术可以从立体空间形貌上判断材料的均匀程度。从三维重构图中可以判断，样品为分布均匀的球，球面均匀伸出纳米线，纳米线末端接有纳米颗粒。

图3 纳米球在TEM模式下分别倾转(a)-62°，(b)0°，(c)+60°采集的二维图像；(d)重构得到的三维模型

实例2：表征材料显微组织间的相对位置

纳米管中填充金属颗粒相对改善纳米管的性能。然而，金属颗粒是否真正被填充在纳米管中，还是附着在纳米管表面，从TEM二维图片中无法确认。利用三维重构，可以从不同角度观察金属颗粒的位置，确认是否真正填充在纳米管中。

图4 纳米管在TEM模式下分别倾转(a)-62°，(b)0°，(c)+60°采集的二维图像；(d)重构得到的三维模型

案例3：表征材料显微组织结构内部孔道信息

简单纳米空心球在TEM通过调节合适的衬度可以显示空心的位置与尺寸。然而，孔道的结构在二维图像中会掩盖空心部分的呈现，易导致显微组织结构信息的判断失误，通过三维重构技术，可以直观反映出空心球内部孔道信息。

图5 空心SiO₂纳米球在TEM模式下分别倾转(a)-62°，(b)0°，(c)+60°采集的二维图像；(d)重构得到的三维模型；(e)纳米球内部孔道示意图

案例4：表征第二相在金属材料内部的分布信息

金属材料的宏观性能不仅取决于基体本身的特性，更与第二相的形貌、尺寸、数量及空间分布密切相关。TEM三维重构技术突破传统二维观测局限，精准解析第二相微观特征，解析其与材料性能关系。

图6 金属样品内部第二相分布及形貌TEM三维重构图