知名人物 李方华人物简介

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知名人物 李方华人物简介

·李方华



李方华,凝聚态物理学家,电子显微学家。中国科学院院士,第三世界科学院院士。中国电子衍射及高分辨电子显微学的先驱者之一 。主要从事衍射物理、高分辨电子显微学和晶体学研究。在高分辨电子显微像的衬度理论和图像处理理论与方法研究、微小晶体结构测定、原子分辨率晶体缺陷测定,以及准晶的研究中作出了重要贡献。

李方华,1932年1月6日生于香港,原籍广东省德庆县。父亲李炯系同盟会会员,一度为李济深的部下,后从商; 中华人民共和国成立前在香港参加44人团体通电起义,并退出国民党。母亲刘季卿主持家务,以自身的苦难经历教育子女要从小立志。在母亲熏陶下,李方华从少年时起,立志要做一个能够在经济上独立的女子。

1939年,李方华随母亲迁往上海,3年后迁往北京外祖母家,就读于北京辅仁女子中学。其母曾做缝纫工人,供养子女上学。母亲的言传身教,使她懂得女孩子必须读好书,在经济上要独立。为了报答母亲,她的成绩力争班上前三名,终获减免学费的奖励。北平沈崇事件发生后,她开始确立 “读书报国” 的思想。

1947年,李方华随母返回广东,进入广州培道女子中学,两年后高中毕业,被保送到岭南大学物理系,同时报考中山大学天文系。1949年9月,她进入岭南大学物理系,同年10月广州解放后,她接中山大学通知而转学。第二年,她考入武汉大学物理系。她从周如松老师对物理现象的科学分析中,学习到分析自己实验结果的要领。

1952年春,李方华被保送到北京俄语专修学校留苏预备部,同年秋进入苏联列宁格勒大学物理系,插班二年级。她抱定 “学好知识,报效祖国” 的决心,每天晚上在自习室学习到凌晨; 她的毕业论文《原位蒸发铋膜的电子衍射研究》指导老师米·亚·卢姆士博士教授电子衍射课程,她从中学到深厚的基础知识和实验技能,为后来的研究工作打下了良好的基础。1956年,李方华以全5分的优异成绩毕业。

李方华于同年归国,在中国科学院物理研究所工作,师从著名晶体学家陆学善,从事粉晶X射线研究。陆学善治学严肃、严谨、严密,对青年人要求严格,这使她深受感染。

李方华从1960年起,开始独立从事科研工作。她把一台旧的电子显微镜改装成电子衍射仪。为此,她从自学机械制图??始,自己设计、画图,并请工厂师傅加工,再调整光路,然后,她用自己改装的设备开展了电子衍射单晶体结构的分析与研究,测定了二十三烷醇晶体中的碳和氢原子的位置。这是我国最早的单晶体衍射结构分析和测定晶体中氢原子位置的工作。在填补空白的同时,她还提出一种校正电子衍射动力学效应的方法。

在 “文化大革命” 中,李方华曾下放到工厂和 “五七” 干校劳动,后来参加砷化镓气相外延生长的研究工作。从盖氢气房到设计、制作氢气净化装置和实验炉,甚至其他杂活,她都亲自动手,还得去三班倒地做实验。“文化大革命”后期,她与王荫君合作,研究钆钴非晶磁膜的结构与磁性的关系,负责测定非晶体的径向分布函数。这一工作填补了国内非晶体电子衍射结构分析的空白,并发展了重量悬殊原子对的简便测定方法。此项合作研究成果获得了中国科学院科技成果奖三等奖。

1973年,李方华在施汝为所长领导下进行文献调研,敏锐地注意到高分辨电子显微学作为电子显微学的一个新分支学科,正在国外萌芽发展。当她了解到高分辨电子显微学可以直接观察晶体中的原子团时,便开始跟踪这一新学科的进展。她从图书馆借出期刊,下班挤公共汽车带回家,晚上在灯下贪婪地阅读,并与丈夫范海福讨论它的局限性。这是他们合作研究电子晶体学图像处理工作的前奏。“文化大革命” 结束后,她积极推动国内在此领域中的研究工作,成为最早向国内同行介绍高分辨电子显微学发展动态的人,还在中国科学院物理研究所建立了我国最早的高分辨电子显微学研究组,开展了高温超导体、半导体、合金、氧化物和矿物等材料的点阵像研究,发现了许多新的结构现象。这些工作于1984年获中国科学院科技成果奖二等奖。比较遗憾的是,当时国内没有实验条件做高分辨电子显微像测定晶体结构的工作; 阅读文献所产生的疑点亦难找人讨论。1978年,两批日本电子显微学代表团先后访华,在交谈中证实了她的看法,促使她更加渴望开展电子晶体学图像处理的研究,以消除上述所??的局限性。李方华有关这方面的论文发表于20世纪70年代后期。

1982年,李方华应当时国际电子显微学联合会主席桥本初次郎邀请,到日本大阪大学应用物理系任访问学者。临行前,她计划利用那里先进的实验和计算条件,借助高分辨电子显微学方法,测定我国发现的新矿物——氟碳铈钡矿的晶体结构,意图学习前人发展的方法,并加深了解其局限性。当时,很有实验经验的日本学者认为此种矿物不耐电子辐照,难以拍摄高分辨电子显微像,桥本初次郎教授也建议她另选题目。然而,她用自己的智慧,在较短时间内拍摄出合格的显微像。随后,她发现并改正了该实验室显微像计算程序的错误,完成了计算工作。在仔细分析了大量的实验和计算结果后,她得出了不同重量原子在显微像上的衬度随晶体厚度的变化规律,总结了动力学电子衍射效应对不同重量原子像衬的影响。根据这个规律,她巧妙地测定了该矿物中轻原子的位置。她的一系列出色工作,在妇女地位甚低的日本引起了震动。那些与她朝夕相处的教师和学生们,不得不对中国的女科学家刮目相看。

她在日本大阪大学半年所取得的工作经验,对其后来的科研工作至关重要。回国后,她率先带领自己的研究组全体成员,迅速在高分辨电子显微学实验和计算方面开展工作,使这方面的研究工作向前迈进了一大步。其次,她在这半年中实践了用传统的尝试法测定一个比较复杂的晶体结构的全过程,加深了对这种方法局限性的认识,从而更加坚定了她发展电子晶体学图像处理??术的信念。第三,也是最重要的一点,她所总结的显微像衬度规律,是后来提出的显微像衬度理论的基础; 而该理论成为她建立电子晶体学图像处理技术的理论依据。

20世纪八九十年代,她的主要贡献是建立测定微小晶体结构的新方法、建立研究原子分辨率晶体缺陷的新技术、发展高分辨电子显微像的衬度理论、准晶体和晶体之间关系的实验和理论研究等。她所建立的电子晶体学图像处理技术,已成功地用来测定了多个未知晶体结构,其中多为高温超导体的公度或无公度调制结构。她所建立的场发射高分辨电子显微像图像处理技术,已应用于半导体晶体中不同类型位错核心的研究。在有关高温超导体的早期研究工作中,她利用目前电子衍射和高分辨电子显微学方法,进行新材料的结构研究,特别是在认定铋系超导体有无公度调制结构方面起了关键作用。

李方华共获奖9次,其中以她为第一获奖人的有中国科学院自然科学奖一等奖1次 (1992)、二等奖3次 (1984、1989、1991)、中国物理学会叶企孙物理奖 (1991); 以个人名义获奖的有中国电子显微学会桥本初次郎奖 (1992) 和钱临照奖 (1993),以及联合国教科文组织颁发的2003年欧来亚-联合国教科文组织世界杰出女科学家成就奖。她于1993年当选中国科学院院士,1998年当选第三世界科学院院士。现虽年近70,仍活跃在科研第一线。她的研究成果得到国际同行的广泛认同,迄今已被邀请在国际性学术会议做邀请报告和在国际性讲习班上担任教员近40次。



提出高分辨电子显微像衬度的新理论



高分辨电子显微像的成像过程有两个环节,即电子波与晶体的相互作用和物镜的成像。前者归结为晶体对电子的衍射。当物体很薄时,电子波与物体作用后只改变波的相位,而振幅的变化微不足道。这种物体称为弱相位物体。最简单的显微像衬度近似理论 (弱相位物体近似) 简单明了地论述了显微像能直接反映晶体结构的原理,却未能考虑到晶体厚度对像衬度的影响。严格的像衬度理论,对应于动力学电子衍射,虽然考虑了晶体厚度的影响因素,但未能给出像衬度随晶体厚度变化的明显关系式。

1982年,李方华在总结了两个矿物 (氟碳铈钡矿和黄河矿)的实验和计算显微像衬度随厚度和原子重量的变化规律之后,为了探讨这个规律是否带有普遍性,对动力学电子衍射的多片理论公式作了一些简化工作,推导出一个新的像强度公式。该式的近似程度介乎最简单的和严格的理论之间,并给出了像衬度随厚度和原子重量的关系,由此证明了她从两个矿物总结出的像衬度规律具有普遍性。她把对应于此公式的像衬度理论命名为赝弱相位物体近似。

通常公认,为得到反映晶体结构的显微像,试样越薄越好。然而,赝弱相位物体近似理论指出,当晶体由轻重不同的原子组成时,在某一定的临界晶体厚度之下,随着厚度增加,显微像上轻原子衬度相对上升,从而可以指导人们设计观察轻重不同原子的实验条件。在此理论指导下,李方华设计了从Li2Ti3O7晶体的显微像中观察锂原子的实验方案,成功观察到迄今所能够观察到的最轻原子,即锂原子。

赝弱相位物体近似理论的另一个重要意义是,它说明弱相位物体近似理论的实际应用范围可以放宽,从而成为李方华等建立的电子晶体学图像处理和场发射高分辨电子显微像图像处理技术的理论依据。

赝弱相位物体近似理论于1985年发表在 《Acta Crystallographica》上。20世纪90年代,欧洲学者在 《Ultramicroscopy》上发表了通道理论,与前者殊途同归。

这项工作连同一些高分辨电子显微学的实验工作,获中国科学院自然科学奖二等奖 (1989)。



建立测定微小晶体结构的新方法



高分辨电子显微像的发展,为测定微小晶体 (因其太小,不适合用X射线衍射分析测定结构的晶体) 的结构提供了一个新途径。但需在一定的物镜离焦量下,显微像才能直接反映晶体结构,而此离焦量在实验中难以准确地设置。传统上人们对同一晶体试样,需拍摄一系列不同离焦条件的像,从中挑选出直接反映晶体的结构像,由此建造晶体结构模型,对模型结构计算一系列不同离焦量的像,再对比实验像和计算像,以确定正确结构模型。显然,这种亦称尝试法的模型法,具有相当的局限性。首先,必须事前对待被测晶体的结构有所了解,否则无法从实验像中挑选出直接反映晶体的结构像; 其次,对于不耐电子辐照的晶体,不易在晶体损坏之前拍摄完一系列不同离焦量的结构像; 第三,最终所得结构的分辨率受电子显微镜的分辨本领所限,不能分辨开全部原子。

为了克服上述局限性,从20世纪70年代后期起,李方华和范海福合作,提出电子衍射与高分辨电子显微学两个近亲分支学科相交叉的思想,利用电子衍射数据和显微像两种信息互补的优越性,将衍射分析的技术引入到高分辨电子显微学中,逐步建立了一种全新的电子晶体学图像处理技术。李方华提出的赝弱相位物体近似像衬理论,便成为此图像处理技术的理论依据。此技术只从一幅显微像出发,经过解卷处理,把本来未必直接反映晶体结构的像转换为直接反映晶体结构的解卷像。然后从解卷像提供的低分辨率波相位,结合电子衍射强度提供的波振幅,借助X射线衍射分析中的直接法进行相位外推处理,使显微像的分辨率从0.2nm提高到0.1nm。

李方华等人用此图像处理技术,成功地测定了一系列微小晶体的结构。这项工作获得了中国物理学会叶企孙物理奖 (1991)和中国科学院自然科学奖一等奖 (1992)。



建立研究原子分辨率晶体缺陷的新方法



电子显微镜的分辨本领与电子的加速电压有关。迄今能达到原子量级分辨本领的,只有价格昂贵的超高压高分辨电子显微镜。当电压为1250kV时,其分辨本领可略优于0.1nm。这样,就可以直接从显微像上观察到原子分辨率的晶体缺陷。而通常使用的中等电压 (如200kV和300kV) 电子显微镜,都达不到原子量级的分辨本领。近年来,商品场发射电子显微镜日趋成熟。其分辨本领虽然等同于非场发射电子显微镜,但因它的光源相干性高,显微镜的信息分辨极限则远高于非场发射电子显微镜。在场发射电子显微像中,能包含更高分辨率的结构信息,但分辨率高于分辨本领的结构信息却是畸变的。中等电压场发射电子显微镜的价格,虽高于同等电压的普通电子显微镜,可仍然远低于超高压高分辨电子显微镜。20世纪90年代中期以来,李方华为了提高中等电压场发射电子显微镜所拍摄的显微像分辨率,建立了一种图像处理技术,把本来未必反映晶体结构的场发射电子显微像转换为反映晶体结构的显微像,把显微像的分辨率从0.2nm提高到0.14nm,使之接近场发射显微镜的信息分辨极限。这样,使用价格低得多的中等电压场发射电子显微镜,即可得到价格昂贵的超高压电子显微镜的效果。

李方华建立这种图像处理技术,也是以上述赝弱相位物体近似理论作为理论依据。她已将此技术应用于测定SiGe/Si半导体晶体外延膜界面附近的位错核心结,包括Lomer位错、60度全位错和扩展位错。



准晶与晶体之间关系的实验和理论贡献



1988年,李方华根据实验现象提出,准晶体与晶体之间存在着中间状态。稍后,她指导研究组拍摄到反映准晶体与晶体之间转变过程的一系列电子衍射花样,并用相位应变理论来解释这种连续转变的实验结果。《Philosophical Magazine Letter》 收到她们的论文时,其审稿人评论为 “这是第一次发现并报道准晶体与晶体之间几乎连续的转变。”

在此基础上,她借助于相位子变场理论,推导出二十面体准晶体与体心立方晶体相之间的晶体学关系,提出在正空间和在倒易空间的相关表达式。基于此表达式,她又提出了一种测定准晶体结构的新方法。她领导的研究组应用此方法,获得分别与AlCu-Li和Al-Mn-Si准晶体相关的两种六维晶体的结构。她还指导学生依据上述提出的表达式,针对含相位子缺陷的准晶体,??展高分辨电子显微像的理论计算工作,测定准晶体中的局域相位子应变量。

李方华的上述工作,得到了国际上的承认,被邀请担任?Quasicrystal——crystal transition》专著中一章的撰稿人,总结了她们的研究成果。该书于1993年由ELSEVIER科学出版社出版。由于以上工作,李方华作为第一获奖人,于1991年同其他合作者共同荣获中国科学院自然科学奖二等奖。



刻苦求实、自强不息的独特科研风格



在40多年的科研生涯中,李方华始终保持着她学生时期勤奋好学的刻苦精神,始终保持那种解数学难题“穷追不舍” 的求实精神,始终保持以饱满的热忱投入工作的奉献精神。每当应??在国际学术会议上作报告时,她深为自己的祖国能在国际舞台上占有一席之地而由衷地感到自豪和喜悦。

她以身作则,教育学生不放过任何研究结果,去认真分析实验现象、总结规律、利用规律。当学生面对一堆难以解释的结果而一筹莫展、工作进行不下去时,她往往在审视结果的过程中耐心分析,从纷乱中整理出头绪,提炼出新观点。当学生只保留容易解释的结果,弃去解释不了的结果时,她总是把弃去的拣回来,加以认真分析,在作出解释的同时,总结出新的物理规律。

作为一个实验物理学家,她乐于推导公式,把实验规律上升为理论,再用理论指导实验,形成实验—理论—实验的有机循环。例如,她提出的赝弱相位物体近似像衬理论,来源于两个矿物的显微像衬度规律,然后又用来指导实验,设计了钛酸锂晶体的高分辨电子显微学实验,并观察到了迄今观察到的最轻原子,即锂原子。又如,她观察到准晶体与晶体之间几乎连续转变的实验现象,并通过模拟计算,证明二者之间以相位子应变相联系之后,推导出了二者之间的晶体学关系式。她根据这个公式,又发展了测定准晶体结构的新方法,以及计算含相位子缺陷准晶体高分辨电子显微像的新方法。

她主张应用较简单的理论来解决实际问题,认为严格的理论在数学上固然漂亮,但往往难以实用。例如,她们建立的电子晶体学图像处理技术便是基于她所简化的像衬度公式。只有如此,才能把衍射晶体学中的各种分析技术引入到高分辨电子显微学中,形成后者与电子衍射两个近亲小学科的交叉,在互补中发扬二者的优势。但她不盲目追求简单,注意在简单理论的基础上,发展一些校正方法,如电子晶体学图像处理技术中的电子衍射强度校正方法和场发射电子显微像图像处理技术中的衍射波振幅校正方法等,以求拓宽相关技术的应用范围。

她善于学习他人知识,进行独立思考,开辟自己的路径。在李方华等建立了电子晶体学图像处理技术之后,欧洲的电子显微学家大力发展了另一种图像处理技术,称之为变焦技术 (Focusvariation technique),纳入欧共体的研究项目中。1996年在Ultramicroscopy的一期专集上出版了一批论文。该技术不限于晶体试样,不借助衍射晶体学的分析技术。她注意客观地分析同行的技术,尊重他人的成果,尽量予以引用。她注意做到知己知彼,坚信电子衍射和高分辨电子显微学相交叉的优越性和生命力,满怀信心地走自己的路。

她在讲课和作学术报告的实践中形成了自己的风格。以她大学的老师为榜样,上课从不拿讲稿,课前在脑海里装着一幅幅画面,大致安排好每个公式、每幅图在黑板上的具体位置,力求抓住学生或听众的思绪,发挥讲堂的最高效率。后来用透明片,现在用计算机的Power Point软件做幻灯片,她一直亲自制作,边做边改,力求完美。学生作报告前,特别是低年级的学生,她要检查学生做的透明片或幻灯片,听他们试讲,提出修改意见。在作国际会议报告前,她要求学生写出讲稿,然后修改讲稿,并要求他们背熟。

修改文章是她指导研究生的一项重要工作。对待学生的每??篇文章,她往往修改许多遍,并讲解修改的道理。她对学生比较严厉,不让他们追求论文数量,要求发表有分量的工作。她鼓励学生对自己的看法提出异议,在讨论中取得一致。看到学生工作的独立性和写论文、作报告的能力逐年提高时,她由衷地感到喜悦。



简 历



1932年1月6日 出生于香港 (原籍广东省德庆县)。

1952—1956年 在苏联列宁格勒大学物理系学习。

1956—1978年 任中国科学院物理研究所研究实习员、助理研究员。

1979—1986年 任中国科学院物理研究所副研究员,日本大阪大学应用物理系访问学者 (1982.10—1983.5),中国电子显微学副理事长 (1984—1993),中国电子显微学常务副理事长(1993—1996)。

1993年 当选为中国科学院院士,中国电子显微学会常务副理事长。

1996年 当选为中国电子显微学会理事长 (1996—2000),国际晶体学联合会电子衍射委员会委员 (1996—1999)。

1998年 当选为第三世界科学院院士。

1999年 再次当选为国际晶体学联合会电子衍射委员会委员 (1999—2002)。

2002年 第三次当选为国际晶体学联合会电子衍射委员会委员 (2002—2005)。



主要论著



1 李方华. 电子衍射强度与结构振幅之间的经验关系及其在结构分析上的应用. 物理学报,1963,19: 735—740

2 李方华,王荫君,高俊杰,等. Gd-Co非晶合金薄膜的电子衍射研究.物理学报,1980,29: 199—204

3 Li F H,Hashimoto H. Use of dynamical scattering in the structure determination of cebaite by high-resolution electron microscopy. Acta Cryst. B,1984,40: 454—461

4 Li F H,Tang D. Pseudo-weak-phase object approximation in high-resolution electron microscopy,I. Theory. Acta Cryst. A,11985,41:376—382

5 Tang D,Teng C M,Zou J,et al. Pseudo-weak-phase object approximation in high-resolution electron microscopy,Ⅱ. Feasibility of directly observing lithium ions. Acta Cryst. B,1986,42: 340—342

6 李方华. 用高分辨电子显微镜测定晶体结构. 物理学报,1977,26:193—198

7 李方华,范海福. 用Sayre等式复原高分辨电子显微像. 物理学报,1979,28: 276—278

8 Fan H F,Zhong Z Y,Zheng C D,et al. Image processing in high resolution electron microscopy using the direct method,Ⅰ. Phase extension.Acta Cryst. A,1985,41: 163—165

9 Han F S,Fan H F,Li F H. Image processing in high resolution electron microscopy,Ⅱ. Image deconvolution. Acta Cryst. A,1986,42:353—356

10 Huang D X,Liu W,Gu Y X,et al. A method of electron diffractionintensity correction. Acta Cryst. A,1996,52: 152—157

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12 Huang D X,He W Z,Li F H. Multiple solution in maximum entropydeconvolution of high resolution electron microscope images. Ultramicroscopy,1996,62: 141—148

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