电子显微镜分辨率的新突破:精度达到十亿分之一米

2018 年,来自康奈尔大学的研究团队建造了一个高功率的探测器,通过结合“ptychography”算法驱动,创造了一个世界纪录–将最先进的电子显微镜的分辨率提高了 2 倍。尽管这项研究非常成功,但这种方式有个弱点,那就是只适用于几个原子厚的超薄样品,如果超出厚度范围就会导致电子以无法分离的方式散射。

现在由应用和工程物理系(AEP)的 Samuel B. Eckert 工程教授 David Muller 带领的科学团队,利用更复杂的三维重建算法,使用电子显微镜像素阵列探测器(EMPAD)将自己的记录提高了 2 倍。其分辨率是如此精细,唯一的模糊是原子本身的热抖动。

该小组的论文 “Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations “于5月20日发表在《科学》上。该论文的主要作者是博士后研究员陈振(Zhen Chen,音译)。

Muller 表示:“这不仅仅是创造了一个新的记录,更将会成为分辨率的一个终极极限。我们现在基本上可以以一种非常简单的方式弄清原子的位置。这为我们很长时间以来一直想做的事情开辟了大量新的测量可能性。它还解决了一个长期存在的问题–消除汉斯-贝特在1928年提出的样品中光束的多重散射–这在过去阻碍了我们这样做”。

斑点成像的工作原理是扫描材料样品的重叠散射图案,并寻找重叠区域的变化。Muller 说:“我们正在追逐斑点图案,这些图案看起来很像猫咪同样着迷的那些激光笔图案。通过观察图案的变化,我们能够计算出引起该图案的物体的形状”。

探测器稍微失焦,模糊了光束,以便尽可能地捕捉最广泛的数据。然后,这些数据通过复杂的算法进行重建,形成具有皮米(一万亿分之一米)精度的超精确图像。

Muller 表示:“有了这些新的算法,我们现在能够纠正我们显微镜的所有模糊,以至于我们剩下的最大的模糊因素是原子本身在晃动的事实,因为这就是原子在有限温度下发生的情况。当我们谈论温度时,我们实际上测量的是原子晃动的平均速度”。

研究人员有可能通过使用一种由较重的原子组成的材料,或者通过冷却样品,再次打破他们的记录。但是,即使在零温度下,原子仍然有量子波动,所以改进的幅度不会太大。

这种最新形式的电子分层成像技术将使科学家们能够在所有三个维度上定位单个原子,否则它们可能会被其他成像方法所隐藏。研究人员还将能够找到不寻常配置的杂质原子,并对它们和它们的振动进行逐一成像。这可能对半导体、催化剂和量子材料–包括那些用于量子计算的材料–的成像特别有帮助,同时也有助于分析材料连接在一起的边界处的原子。

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