电子叠层衍射成像技术突破原子分辨率极限——晶格热振动成为最终制约因素

作者及发表信息
本研究的通讯作者为康奈尔大学的Zhen Chen和David A. Muller，合作团队来自美国康奈尔大学、阿贡国家实验室、德国莱布尼茨晶体生长研究所等机构。研究成果于2021年5月21日发表于《Science》期刊，标题为《Electron ptychography achieves atomic-resolution limits set by lattice vibrations》。

学术背景

研究领域：本研究属于透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）成像技术的前沿领域，聚焦于解决原子级分辨率成像中的多重散射和透镜像差问题。

研究动机：传统TEM虽理论上可实现皮米级分辨率（1皮米=10⁻¹²米），但因透镜像差和样品内电子多重散射，实际分辨率降低3-10倍。此外，厚样品（>单原子层）中的非线性相位对比使结构解析依赖复杂的模拟计算，限制了材料科学、凝聚态物理等领域的进展。

目标：通过电子叠层衍射成像（electron ptychography）技术，逆向求解多重散射问题并克服透镜像差，实现接近原子本征尺寸的分辨率，同时验证热振动对分辨率的最终限制。

研究流程与方法

1. 实验设计与技术原理

• 核心技术：电子叠层衍射成像通过扫描样品表面的散焦电子探针，记录每个位置的衍射图样，利用相位恢复算法重构样品电势分布。
  
• 创新点：
  
  • 多层切片算法（Multislice ptychography）：将厚样品分割为多个薄片（每片0.5纳米），逐层模拟电子探针的传播与散射（图1c）。
    
  • 混合态处理：引入部分相干探针模型，解决电子束能量漂移和样品振动导致的信号模糊问题。
    
• 实验设备：300 keV Titan Themis显微镜配备电子显微镜像素阵列探测器（EMPAD），动态范围达10⁶，可同时记录弱散射信号和高强度布拉格峰。
  

2. 样品与数据采集

• 研究对象：钙钛矿氧化物PrScO₃单晶（厚度21 nm），沿[001]晶带轴观测。选择该材料因其明确的原子排列（Pr-Pr间距59 pm）和热振动数据可验证分辨率极限。
  
• 数据生成：
  
  • 扫描区域覆盖约100×100 nm²，每个探针位置记录一张衍射图，总剂量控制在10⁴–10⁸ e⁻/Ų以平衡信噪比与辐照损伤。
    
  • 对比实验：同步进行单层叠层成像（single-slice ptychography）和传统高分辨TEM（HRTEM）成像，验证多层算法的优势。
    

3. 数据处理与算法开发

• 重建算法：基于Cowley-Moodie多层散射理论，迭代求解每层样品的传输函数（图1c）。初始相位随机设定，无需预设周期性或对称性约束。
  
• 分辨率验证：
  
  • 通过傅里叶变换分析重构相位图像的信息传递极限（图2d-e），确认分辨率达23 pm（对应4.39 Å⁻¹空间频率）。
    
  • 测量原子柱宽度（Pr柱44±1 pm，Sc柱45±1 pm），与Debye-Waller因子计算的热振动展宽（Pr 23 pm）对比，分离仪器贡献（残余模糊仅16±1 pm）。
    

主要结果

1. 原子级分辨率成像：

   • 成功分辨Pr-Pr哑铃（间距59 pm，对比度63%）和O-Sc-O三原子投影（O-Sc间距63 pm）（图2a-c）。
     
   • 傅里叶谱显示各向同性信息传递，突破传统TEM的埃级分辨率限制（图2d-e）。
     

2. 热振动的决定性作用：

   • 室温（300 K）下原子热振动导致电势展宽（Pr柱展宽28 pm），占实测宽度的主要部分（图3b-d）。仪器残余模糊仅16 pm，证明分辨率已接近物理极限。
     

3. 三维定位能力：

   • 通过深度切片重构（图4a），实现纵向分辨率3.9 nm（优于光学切片极限5.1 nm）。
     
   • 模拟验证：可检测15 nm厚样品中单个Pr掺杂原子（Z=59）的三维位置，深度分辨率达0.9 nm（图4e-g）。
     

结论与意义

1. 科学价值：

   • 首次将电子成像分辨率推至原子热振动设定的物理极限，为材料缺陷、界面结构等研究提供新工具。
     
   • 多层叠层算法解决了厚样品非线性散射难题，使定量相位成像无需依赖模拟计算。
     

2. 应用前景：

   • 量子材料：精确测量氮空位中心等缺陷的各向异性热振动。
     
   • 工业检测：定位集成电路中掺杂原子的三维位置（如Sb-Si体系），精度达亚纳米级。
     

研究亮点

1. 分辨率突破：实测16 pm仪器模糊度，接近理论极限（原子直径约200 pm）。
   
2. 方法创新：多层叠层算法首次在电子显微中实现厚样品线性相位响应，克服了传统投影成像的非单调对比问题。
   
3. 多维分析：单次二维扫描即可提取三维结构信息，大幅降低电子断层扫描的剂量需求。
   

其他价值

• 开源数据与代码：原始数据发布于PARADIM平台，算法代码公开于Zenodo（DOI:10.5281/zenodo.4659690），推动领域标准化。
  
• 跨学科影响：该技术可拓展至生物大分子成像，解决冷冻电镜中冰层散射的类似问题。
  

（全文约2000字）