電子顯微鏡解析度新突破（電子顯微鏡解析度新突破）

2023-09-19 17:55:06 2

2018 年，來自康奈爾大學的研究團隊建造了一個高功率的探測器，通過結合「ptychography」算法驅動，創造了一個世界紀錄--將最先進的電子顯微鏡的解析度提高了 2 倍。儘管這項研究非常成功，但這種方式有個弱點，那就是只適用於幾個原子厚的超薄樣品，如果超出厚度範圍就會導致電子以無法分離的方式散射。

現在由應用和工程物理系(AEP)的 Samuel B. Eckert 工程教授 David Muller 帶領的科學團隊，利用更複雜的三維重建算法，使用電子顯微鏡像素陣列探測器（EMPAD）將自己的記錄提高了 2 倍。其解析度是如此精細，唯一的模糊是原子本身的熱抖動。

該小組的論文 "Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations "於5月20日發表在《科學》上。該論文的主要作者是博士後研究員陳振（Zhen Chen，音譯）。

Muller 表示：「這不僅僅是創造了一個新的記錄，更將會成為解析度的一個終極極限。我們現在基本上可以以一種非常簡單的方式弄清原子的位置。這為我們很長時間以來一直想做的事情開闢了大量新的測量可能性。它還解決了一個長期存在的問題--消除漢斯-貝特在1928年提出的樣品中光束的多重散射--這在過去阻礙了我們這樣做」。

斑點成像的工作原理是掃描材料樣品的重疊散射圖案，並尋找重疊區域的變化。Muller 說：「我們正在追逐斑點圖案，這些圖案看起來很像貓咪同樣著迷的那些雷射筆圖案。通過觀察圖案的變化，我們能夠計算出引起該圖案的物體的形狀」。

探測器稍微失焦，模糊了光束，以便儘可能地捕捉最廣泛的數據。然後，這些數據通過複雜的算法進行重建，形成具有皮米（一萬億分之一米）精度的超精確圖像。

Muller 表示：「有了這些新的算法，我們現在能夠糾正我們顯微鏡的所有模糊，以至於我們剩下的最大的模糊因素是原子本身在晃動的事實，因為這就是原子在有限溫度下發生的情況。當我們談論溫度時，我們實際上測量的是原子晃動的平均速度」。

研究人員有可能通過使用一種由較重的原子組成的材料，或者通過冷卻樣品，再次打破他們的記錄。但是，即使在零溫度下，原子仍然有量子波動，所以改進的幅度不會太大。

這種最新形式的電子分層成像技術將使科學家們能夠在所有三個維度上定位單個原子，否則它們可能會被其他成像方法所隱藏。研究人員還將能夠找到不尋常配置的雜質原子，並對它們和它們的振動進行逐一成像。這可能對半導體、催化劑和量子材料--包括那些用於量子計算的材料--的成像特別有幫助，同時也有助於分析材料連接在一起的邊界處的原子。