在此，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校Pinshane Y. Huang教授等人演示了未校正掃描透射電子顯微鏡（STEM）中的電子相干衍射成像，其深亞?？臻g分辨率低至0.44埃，超過(guò)了像差校正工具的傳統(tǒng)分辨率，可與它們的最高相干衍射分辨率相媲美。同時(shí)，在廣泛可用的商業(yè)化顯微鏡中對(duì)扭曲的二維材料進(jìn)行了演示，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了先前未校正的STEM的衍射分辨率（1~ 5 埃）。此外，進(jìn)一步展示了幾何像差如何為劑量效率高的電子層析法創(chuàng)建優(yōu)化的結(jié)構(gòu)光束，本文結(jié)果也表明深度亞埃級(jí)電子顯微分辨率不再需要昂貴的像差校正器。
相關(guān)文章以“Achieving sub-0.5-angstrom-resolution ptychography in an uncorrected electron microscope”為題發(fā)表在Science上。
研究背景研究顯示，電子顯微鏡的空間分辨率一直受到磁透鏡固有像差的限制，這一特性推動(dòng)了像差校正電子顯微鏡的發(fā)展和采用，其中電磁元件串聯(lián)組合以校正透鏡像差。二十多年來(lái)，像差校正器在透射電子顯微鏡（TEM）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）中實(shí)現(xiàn)了亞埃級(jí)分辨率，使其成為了解原子分辨率下材料的原子結(jié)構(gòu)、組成和鍵合不可或缺的手段。然而，像差校正顯微鏡是昂貴、復(fù)雜的儀器，需要高水平的專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)操作和維護(hù)，這限制了亞埃級(jí)尺度顯微鏡的廣泛使用。相干衍射成像為高分辨率成像提供了另一種方法。如圖 1A 所示，收集會(huì)聚束電子衍射 （CBED）圖案作為探針位置的函數(shù)，生成四維掃描透射電子顯微鏡（4D-STEM）數(shù)據(jù)集。然后，電子相干衍射成像通過(guò)使用4D-STEM數(shù)據(jù)中的確定信息來(lái)解決相位問(wèn)題，從而可以同時(shí)確定物體和探針。通過(guò)這樣，相干衍射成像通過(guò)計(jì)算而不是使用透鏡光學(xué)器件來(lái)消除像差。這一過(guò)程使得超分辨率成像成為可能，超分辨率成像超過(guò)了物理成像系統(tǒng)數(shù)值孔徑定義的空間分辨率。最近，電子相干衍射成像已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了深度亞埃級(jí)電子顯微分辨率（<0.5 ?）分辨率，可分辨小至0.4 ?的原子間距，并接近設(shè)定的分辨率極限。通過(guò)達(dá)到深度亞埃級(jí)分辨率狀態(tài)，深度亞埃級(jí)電子顯微成像大大超過(guò)了使用環(huán)形暗場(chǎng)（ADF）–STEM等集成探測(cè)器的最佳像差校正工具實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)分辨率。值得注意的是，電子相干衍射成像首先使用未校正的顯微鏡進(jìn)行，與傳統(tǒng)的衍射極限和1~ 5 ? 之間的分辨率相比，它顯示出明顯提升的分辨率。然而，即使使用相干衍射法，未校正的工具也沒(méi)有達(dá)到亞埃分辨率的重要基準(zhǔn)，在那里它們將達(dá)到或超過(guò)像差校正的STEM的傳統(tǒng)分辨率。相反，盡管理論上存在可能性，但到目前為止，亞埃和深亞埃相干成像僅在像差校正的STEM中實(shí)現(xiàn)。內(nèi)容詳解作者演示了未校正的STEM中的深度亞埃分辨率。圖 1 比較了扭曲雙層二硒化鎢（WSe2）在未校正和像差校正的電子顯微鏡圖像。2D材料（如WSe2）的扭曲雙層（圖1B）是理想的分辨率測(cè)試結(jié)構(gòu)，它們包含具有一系列投影原子間距的摩爾紋圖案，包括深亞埃間距，即使使用像差校正也難以解析。在來(lái)自未校正的STEM的ADF-STEM圖像（圖1C），分辨率足以可視化扭曲雙層WSe2的摩爾晶格，但太差無(wú)法解析單個(gè)原子。相比之下，在相同的探針形成條件下獲得的相位圖像（圖1D）解析了單個(gè)W原子和Se柱。能譜顯示，未校正的ADF-STEM的信息傳輸極限為~1.7 ?（圖1E），相干衍射成像的信息傳輸極限為0.44 ?（圖1F），表明空間分辨率提高了近四倍。這些數(shù)據(jù)證明了未校正的STEM中的深度亞埃分辨率。至關(guān)重要的是，作者在商業(yè)化的未校正STEM中獲得了這些結(jié)果，除了增加了一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍的直接電子探測(cè)器外，沒(méi)有對(duì)顯微鏡本身進(jìn)行任何修改。更加重要的是，作者使用像差校正的STEM重復(fù)這些測(cè)量（圖1，G到J）。通過(guò)像差校正，ADF-STEM（圖1G）和相干衍射相位圖像（圖1H）都分辨了單個(gè)原子。相應(yīng)的快速傅里葉變換（FFT;圖1，I和J）ADF-STEM的信息傳輸限值為0.95 ?，相干衍射成像的信息傳輸限值為0.41 ?，與先前在像差校正儀器中的工作相當(dāng)。值得注意的是，在未校正的STEM中，電子相干衍射成像（0.44 ?）實(shí)現(xiàn)的分辨率與像差校正顯微鏡（0.41 ?）中的層析分辨率幾乎相同，并且很容易超過(guò)像差校正的ADF-STEM（0.95 ?）的分辨率。這一結(jié)果在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期尋求的沒(méi)有像差校正器的亞埃級(jí)顯微鏡的理論可能性。圖1. 未校正和畸變校正的STEMs中扭曲雙層WSe2的ADF-STEM同時(shí)，有兩個(gè)關(guān)鍵因素實(shí)現(xiàn)了亞埃級(jí)分辨率。首先，雖然先前在未校正的STEM中的電子相干衍射成像研究通常使用明場(chǎng)盤(pán)內(nèi)或略外的電子，但使用高動(dòng)態(tài)范圍電子顯微鏡像素陣列探測(cè)器（EMPAD）進(jìn)行全場(chǎng)相干衍射成像。其次，發(fā)現(xiàn)混合態(tài)成像解釋了探針的部分相干性，對(duì)于在未校正的STEM中實(shí)現(xiàn)亞角疊層成像至關(guān)重要。這種方法與像差校正工具不同，在像差校正工具中，可以使用單態(tài)層析法實(shí)現(xiàn)亞埃級(jí)分辨率?；旌蠣顟B(tài)方法可能部分補(bǔ)償了未校正的STEM典型的較低機(jī)械和電氣穩(wěn)定性。本研究中使用的未校正顯微鏡具有肖特基場(chǎng)發(fā)射槍。同時(shí)注意到，本文的結(jié)果可能受益于顯微鏡室的高環(huán)境穩(wěn)定性，未校正的STEM位于以前被像差校正儀器占用的房間中。圖2.?未校正顯微鏡下扭曲雙層WSe2圖3.?亞埃分辨率的電子相干衍射模擬圖4. 利用像差技術(shù)優(yōu)化電子相干衍射探針綜上所述，本文的研究為未校正的STEM帶來(lái)了高質(zhì)量、深亞埃級(jí)分辨率成像。值得注意的是，與像差校正工具相比，未校正顯微鏡的成本要低得多，使用范圍更廣，并且與原位方法更兼容。使用本文的方法，幾乎任何掃描透射電子顯微鏡都可以適應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)最先進(jìn)的深度亞埃分辨率，此結(jié)果有可能催化深亞埃級(jí)分辨率表征更加廣泛應(yīng)用。此外，本文的方法應(yīng)該與快速發(fā)展的電子相干衍射領(lǐng)域的新興技術(shù)兼容，包括電場(chǎng)和磁場(chǎng)的測(cè)量。最后，作者展示了一種可以創(chuàng)建針對(duì)劑量效率相干衍射成像優(yōu)化的結(jié)構(gòu)化探針，這種方法可能用于開(kāi)發(fā)新的基于成像的低劑量和3D成像。雖然像差校正的STEM將繼續(xù)為需要形成明亮、聚焦探針的原子尺度化學(xué)映射等應(yīng)用提供相當(dāng)大的好處，但本文結(jié)果代表了在亞埃級(jí)和深亞埃級(jí)分辨率上擴(kuò)大電子顯微鏡范圍的重要一步。Kayla X. Nguyen?, Yi Jiang?, Chia-Hao Lee?, Priti Kharel, Yue Zhang, Arend M. van der Zande, Pinshane Y. Huang*, Achieving sub-0.5-angstrom-resolution ptychography in an uncorrected electron microscope, Science. (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl2029
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