电子显微镜分辨率创造新的世界纪录,一个硫原子的缺失都能检测到

电子显微镜分辨率创造新的世界纪录,一个硫原子的缺失都能检测到

图说:两张二硫化钼(MoS2)的照片,一幅旋转了6.8度。单个原子的间距从原子键全长到完全重叠时的间距不等。来源:康奈尔大学

7月19日,美国康奈尔大学应用和工程物理系教授David Muller、John L. Wetherill,物理学教授Sol Gruner和Veit Elser合作在《自然》杂志上发表题为”Electron Ptychography of 2-D Materials to Deep Sub-Ångström Resolution”的文章。文章称,研究人员凭借电子显微镜(电镜)像素阵列检测器(EMPAD),使电镜达到了0.39Å的分辨率,刷新了世界记录。

电镜虽然能观测到单个原子,但即使在这个分辨率下,它也并不能把一切都看得清清楚楚。电镜的镜片具有称为像差的内在缺陷。为此人们开发了像差校正器,正如Muller所说,它就像“显微镜的眼镜”。而为了校正多个像差,需要一个不断扩展的校正元件收集器。这就像将眼镜戴在眼镜上一样笨拙。Muller等的工作成功地解决了这个问题。

电子波长比可见光的波长小许多倍,但电镜镜头并没有相应的分辨率。分辨率在很大程度上取决于镜头的数值孔径。数值孔径是“f数”的倒数:f数越小,分辨率越高。提高电镜分辨率的传统方法是增加透镜的数值孔径和电子束的能量。过去的分辨率记录是通过像差校正透镜和超高光束能量——300千电子伏特(keV)—— 来获得亚埃(Å, ångström )分辨率的。原子键长通常在1-2Å之间,亚埃分辨率可以让人们轻松观测到单个原子。

研究小组使用了EMPAD和Ptychography技术来提高电镜的分辨率:当电子束扫描样品时,探测器在重叠步骤中收集散射电子的全位置和动量分布,然后根据得到的4维数据集来重建图像。最后达到了0.39Å的分辨率。为了保证样品结构完整性,他们使用了更低的光束能量(80 keV),这种情况下仅使用像差校正透镜就能达到0.98Å的分辨率。在这种分辨率下,样品中即便是一个硫原子的缺失都能检测到。

由于分辨率小于最小原子键,因而需要为EMPAD方法提供一种新的测试对象。于是他们堆叠了两张MoS2照片,一张略微歪斜,这样两片原子的距离从完整的原子键长到重叠时的距离不等。

康奈尔大学校内的电镜已经进行了EMPAD改造,它们可以记录各种强度——从单个电子到包含数十万甚至一百万个电子的强光束。

编译:伊幻 审稿:西莫 编辑:张梦

来源:https://phys.org/news/2018-07-electron-microscope-detector-resolution.html

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