一项突破性显微成像技术：通过倾转耦合多层电子叠层成像技术实现亚纳米深度分辨率与单原子掺杂体三维可视化
本研究由来自多个顶尖研究机构的研究人员共同完成，主要作者包括董泽浩（清华大学）、张阳（清华大学）等，通讯作者为陈震（中国科学院物理研究所）。该项原创性研究成果于2025年发表在Nature Communications期刊上（卷16，文章号1219）。
学术背景
在材料科学领域，对材料内部原子结构进行真实空间的三维成像是至关重要但极具挑战性的任务。扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscopy, STEM）借助像差校正等技术，已能在横向上实现亚埃（sub-ångstrom）级的分辨率。然而，在沿电子束方向的深度分辨率上，传统方法如基于单投影的电子叠层成像术（Multislice Electron Ptychography, MEP）通常局限在2-3纳米。为了获得更好的深度分辨率，往往需要像原子电子断层扫描那样，让样品大角度倾转并采集大量投影数据，这不仅实验复杂、耗时，且对样品和仪器稳定性要求极高，视野也受限。因此，发展一种能够在常规仪器上、以较少数据量实现高深度分辨率的三维原子成像技术，对于揭示材料中掺杂原子、空位等缺陷的三维分布及其引起的晶格畸变具有重大意义，这将直接推动凝聚态物理、化学和半导体工业的进步。
本研究旨在解决上述瓶颈。研究人员的目标是显著提升电子叠层成像的深度分辨率，使其达到亚纳米乃至原子尺度，从而能够在三维空间清晰可视化单个掺杂原子，并分析其周围的晶格畸变。他们提出了一种名为“倾转耦合多层电子叠层成像术”（Tilt-Coupled Multislice Electron Ptychography, TCMEP）的新方法。
详细工作流程
本研究的工作流程整合了理论模拟、方法开发、实验验证和实际应用四个主要环节，环环相扣。
第一环节：TCMEP方法的原理提出与算法开发。 研究团队的核心创新在于将样品倾转系列引入多层电子叠层成像。具体流程如下： 1. 数据采集： 在透射电子显微镜（TEM）上，对同一样品区域，使用电子显微镜像素阵列探测器（EMPAD）采集一系列四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）数据集。每个数据集对应样品的一个微小倾转角（远小于1弧度，本研究中使用±1°, ±2°, ±4°等），倾转通过常规双倾样品台实现。 2. 数据预处理与对齐： 采集后，首先通过预重建对齐程序校正不同倾转角数据集之间的相对位移。具体方法是在感兴趣区域附近预先用电子束照射产生一个结构缺陷作为标记，通过分别对每个倾转数据集进行常规MEP重建来精确定位该标记，据此对齐所有数据，并将数据裁剪至共同的重叠扫描区域（如100×100扫描点）。在后续的TCMEP迭代重建中，还会进一步细化扫描位置和倾转角的精确校正。 3. TCMEP并行迭代重建： 这是方法的核心。研究团队开发了相应的重建算法。与常规MEP不同，TCMEP采用并行迭代方式，将N个不同倾转角下采集的4D-STEM数据集耦合起来，共同重建一个统一的多层（multislice）物体函数。由于倾转角很小，算法通过引入层间位移来近似模拟倾转的物体模型。在每次迭代中，N个不同的探针函数（对应每个数据集）并行地通过N个倾转后的物体模型进行传播（基于多层切片原理），计算出的出射波用于与实验测得的衍射图样比较，构建损失函数。然后，通过最小二乘最大似然法（LSQML）确定更新方向和步长，同时更新物体函数和各个探针函数。该算法还包含了用于模拟探测器点扩展函数的高斯核、用于修正扫描位置漂移的算法以及用于处理部分空间相干性的混合态算法。整个重建过程计算密集，需在配备大内存GPU（如NVIDIA A100 80GB）的高性能计算系统上进行。
第二环节：基于模拟数据的性能验证。 在将TCMEP应用于真实样品前，团队首先通过模拟评估其性能。他们使用μSTEM软件模拟生成4D-STEM数据集。 1. 研究模型： 模拟对象为沿[001]晶带轴的SrTiO₃晶体，其中人工引入了间隙式和置换式锶（Sr）掺杂原子作为目标。模型厚度约12.5纳米。 2. 模拟参数： 模拟在300 keV束流能量下进行，探针会聚半角为25 mrad，过焦20 nm。在不同样品倾转角下生成26×26个衍射图样。加入了晶格振动（冷冻声子模型，40种配置）和泊松噪声以模拟有限电子剂量条件。 3. 对比分析： 分别使用常规MEP（0°倾转）和TCMEP（耦合0°& ±2°、0°& ±2°& ±4°数据）对模拟数据进行重建。分析内容包括：掺杂原子在特定深度切片中的可见度、掺杂原子的相位-深度曲线、三维信息传递函数的傅里叶空间边界、以及在不同总电子剂量下（从2.5×10⁴ 到 2.5×10⁸ e/Ų）的深度分辨率和剂量效率。
第三环节：在模型材料上实验验证深度分辨率提升。 为了在实际实验中验证TCMEP的深度分辨率，研究团队制备并研究了一个扭曲双层SrTiO₃样品。 1. 样品制备： 采用脉冲激光沉积（PLD）和牺牲层技术制备了相对扭转角约9°的独立支撑扭曲双层SrTiO₃薄膜，并将其转移到铜网TEM载网上。 2. 实验与数据采集： 在Thermo Fisher Spectra 300显微镜（300 keV，超高亮度冷场发射枪）上进行4D-STEM实验。使用EMPAD探测器，探针半角25 mrad，扫描区域9.3×9.3 nm²，200×200扫描点。为减少束流损伤，使用较低束流（7 pA，对应剂量约2.1×10⁵ e/Ų）。采集了倾转角为0°、±1°、±2°的系列数据。 3. 重建与分析： 分别使用单组数据（MEP）和多组倾转耦合数据（TCMEP，最大倾转角1°和2°）进行重建。通过分析不同深度切片（每片4 Å厚）的相位图像及其傅里叶变换，观察顶层和底层SrTiO₃的摩尔纹图案沿深度方向的衰减情况来评估层分离能力。同时，对底部层中的Sr和Ti原子柱的相位-深度曲线进行平均和拟合，定量评估界面处的深度分辨率。
第四环节：应用TCMEP成像真实材料中的掺杂原子与三维晶格畸变。 在验证方法有效性后，团队将其应用于一个具有科学意义的实际体系——掺镨（Pr）的布朗米勒石相氧化物(PrₓCa₁₋ₓ)₂Co₂O₅薄膜。 1. 样品生长与表征： 采用PLD在LaAlO₃衬底上生长名义成分为x≈0.05的薄膜。通过同步获取的高角环形暗场像和电子能量损失谱（EELS）映射，确认Pr掺杂原子优先占据Ca2位点，并导致晶格反演对称性自发破缺。 2. 4D-STEM数据采集： 在Thermo Fisher Titan Cubed Themis显微镜（300 keV，肖特基场发射枪）上进行。参数与扭曲双层实验类似，但束流较高（30 pA，对应剂量约9.0×10⁵ e/Ų）。采集了倾转角为0°和±1°的数据。 3. 三维重建与深度剖析： 分别用MEP（仅0°数据）和TCMEP（0°和±1°三组数据）进行重建。对比两者在横向分辨率（约0.4 Å）、以及沿特定Ca1和Ca2原子柱序列的深度相位剖面图。通过统计不同位点的相位值分布，识别Pr掺杂引起的相位增强。在TCMEP结果中，进一步分析掺杂原子的三维空间分布，并提取其周围Ca原子的位移场，以可视化伴随的晶格畸变。
主要研究结果
模拟结果清晰证明了TCMEP的优越性。 在恒定剂量下，随着耦合的倾转角增大（0° → ±2° → ±4°），Sr掺杂原子在深度切片中的可见度显著提高，其相位-深度曲线的半高宽变窄，表明深度模糊减少。傅里叶分析显示，TCMEP扩展了三维信息传递函数的边界，有效半角β_tcmep显著大于β_mep（例如从207 mrad增至553 mrad），证实了通过倾转获取更高角度散射信息是提升深度分辨率的关键。剂量效率分析表明，在低剂量下（2.5×10⁴ e/Ų），常规MEP几乎无法分辨掺杂原子，而TCMEP即使在2°倾转下也能使其可见，在4°倾转下对比度更佳。定量分析显示，在大剂量和4°最大倾转下，深度分辨率可提升2-3倍，达到近原子分辨率（~0.45 nm）；在低剂量下，提升倍数可达4倍左右（从2.33 nm改善至0.62 nm）。
在扭曲双层SrTiO₃上的实验结果定量验证了深度分辨率的提升。 TCMEP重建结果中，摩尔纹图案沿深度方向的出现和消失比MEP结果更为迅速。在最后的深度切片中，MEP重建仍残留摩尔纹图案，而TCMEP则清晰分离出底层SrTiO₃。对界面处相位-深度曲线的拟合表明，采用最大倾转角2°的TCMEP，可获得约0.9 nm的深度分辨率，这超越了色差极限（~1.4 nm），且与模拟结果在可比条件下吻合。傅里叶分析也一致表明，随着最大倾转角增加，在所有横向空间频率上深度分辨率都得到了普遍改善。
在掺Pr的Ca₂Co₂O₅薄膜中的应用取得了突破性成像成果。 MEP和TCMEP都实现了约0.4 Å的横向分辨率，并能区分Ca1和Ca2位点。深度剖面图显示，Ca2柱中出现随机分布的额外相位峰，这与Pr（Z=59）替代Ca（Z=20）引起的平均原子序数增加相符。关键区别在于： 在一个Ca2柱中，TCMEP成功分辨出深度上相距约4 nm的两个相邻Pr原子峰，而这一特征在深度分辨率较差的MEP重建中被模糊了。对Ca2位点相位值的统计分析也显示，TCMEP结果中的额外“肩部”特征在MEP中因模糊而展宽为长尾分布，这突显了TCMEP在深度轴上识别更精细结构的卓越能力。基于TCMEP提供的清晰三维信息，研究团队成功可视化了几近所有的Pr掺杂原子，并详细研究了伴随的晶格畸变。相位图叠加原子位移图显示，在Pr掺杂的Ca2位点附近，Ca原子平均产生了5-10 pm的位移，且位移方向通常背离掺杂原子，这为理解该材料在载流子掺杂下的复杂磁基态提供了关键的微观结构信息。
结论与意义
本研究成功开发并验证了倾转耦合多层电子叠层成像术（TCMEP）。该方法通过耦合仅有的几个小角度倾转投影数据，将电子叠层成像的深度分辨率提高了三倍以上，达到亚纳米尺度，并有望接近原子水平。TCMEP同时保持了其对轻原子和重原子的高分辨能力，显著增强了对单个掺杂原子的检测和三维可视化。
科学价值与应用价值： 1. 方法学突破： TCMEP为三维原子尺度成像提供了一种全新的、更高效的解决方案。它只需几个小倾转角（如~4°）和少量扫描（本研究少于5次），与需要大角度、多投影的传统电子断层扫描相比，大大简化了数据采集、降低了实验难度和束流损伤风险，且兼容广泛使用的、配备常规双倾样品台的像差校正STEM仪器。 2. 推动材料科学研究： 该技术使得在三维空间中直接观测掺杂原子、空位等点缺陷的分布及其引起的局域晶格畸变成为可能。这对于理解量子材料中的掺杂效应、半导体器件的掺杂工程、高温超导体的微观机制、以及拓扑极性结构、纳米尺度相分离等复杂三维结构具有不可估量的价值。本研究对掺Pr布朗米勒石薄膜中掺杂位点偏好和晶格畸变的成功解析，即是一个强有力的例证。 3. 高剂量效率： 研究表明TCMEP在低剂量下仍能有效工作，这对于 beam-sensitive（对电子束敏感）的材料（如有机材料、某些氧化物）的三维成像尤为重要。
研究亮点
其他有价值的内容
研究还指出，TCMEP的深度分辨率提升主要源于通过倾转将更高角度的散射信息纳入重建。即使对于弱散射的样品（如纳米颗粒），TCMEP也能进一步提升分辨率。虽然目前基于小倾转近似的TCMEP在约10°倾转角内有效并已实现优于3 Å的深度分辨率，但未来可通过结合断层扫描的投影算法将其扩展至更大倾转角，以追求终极的三维原子分辨率。同时，研究也提到了在审稿期间出现的另一项利用离焦系列提升三维重建的相关工作，体现了该领域的快速发展。