0.000000000039米！顯微鏡分辨率破紀(jì)錄

Insigne

在 2500 年前,，希臘哲學(xué)家曾對(duì)物質(zhì)的組成問題爭(zhēng)論不休,。到了約 200 年前，化學(xué)家才在理論上發(fā)現(xiàn)了亞原子尺度上的結(jié)構(gòu),。

而為了看到這些細(xì)微的結(jié)構(gòu),，科學(xué)家也在不斷努力。從 16 世紀(jì)的光學(xué)顯微鏡發(fā)明以來(lái),，400 年后的 20 世紀(jì)初,，電子顯微鏡的發(fā)明突破了光學(xué)顯微鏡固有的衍射極限（大約 200 納米）,，能夠輕易的分辨出單個(gè)原子。但對(duì)于亞原子尺度的世界,，這個(gè)分辨率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

近日,，康奈爾大學(xué)應(yīng)用與工程物理系（AEP）教授 David Muller 教授與物理教授 Sol Gruner,、Veit Elser 合作，開發(fā)出的電子顯微鏡像素陣列探測(cè)器（EMPAD）獲得了電子顯微鏡成像分辨率的最新世界紀(jì)錄——0.39 Å（1 Å=0.1 nm=0.0000000001 米）,。

這項(xiàng)成果發(fā)表在7 月 18 日的《 Nature》上,，文章的共同第一作者為 Muller 團(tuán)隊(duì)的中國(guó)物理學(xué)博士生姜毅和博士后研究者陳震。

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圖丨 David Muller ,、陳震,、姜毅

為實(shí)現(xiàn)這次破紀(jì)錄的高分辨率，研究人員做出了多方面的努力,。文章作者陳震博士就對(duì) DT 君表示：“要實(shí)現(xiàn)很高的分辨率對(duì) EMPAD 探測(cè)器有很多要求,，既需要很大的動(dòng)態(tài)范圍，單電子靈敏度和低的噪聲,，也需要足夠快的信號(hào)采集速度,。”

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圖 | 不同技術(shù)對(duì)單層 MoS2 成像效果（本文使用的疊層衍射成像技術(shù)為圖d,。圖源：Nature）

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創(chuàng)紀(jì)錄超高分辨率：0.000000000039m

眾所周知,，電子顯微鏡之所以能夠獲得遠(yuǎn)高于光學(xué)顯微鏡的分辨率，是因?yàn)殡娮硬ㄩL(zhǎng)遠(yuǎn)小于可見光的波長(zhǎng),，但是電子顯微鏡的透鏡卻沒有這種相稱的精度,。

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Muller 稱，電子顯微鏡的分辨率很大程度上取決于透鏡的數(shù)值孔徑,。在傳統(tǒng)相機(jī)中,，數(shù)值孔徑是“f 值”（光圈值）的倒數(shù)，所以“f 值”越小,，分辨率會(huì)越高,。

一臺(tái)好相機(jī)的“f 值”大約稍小于 2，而電子顯微鏡的“f 值”大約在 100 左右,。Muller 教授稱,，利用像差矯正器能將這個(gè)值降低到 40 左右，然而這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,。

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電子顯微鏡的透鏡存在一個(gè)固有的缺陷稱為像差,，多年以來(lái)科學(xué)家一直在研究各種各樣的像差校正器，以期能夠消除這種像差,，這就像給顯微鏡配一副眼鏡,。然而,，像差校正器的作用也很有限。為了校正多重像差,，必須使用一系列的校正單元,，就像在眼鏡上套眼鏡再套眼鏡一樣，這讓整個(gè)儀器變的臃腫,、笨拙,。

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一般來(lái)說(shuō)，提升電子顯微鏡圖像分辨率的方法是增大數(shù)值孔徑并提高電子束能量,，就像光學(xué)顯微鏡中增加物體的照明一樣,。電子顯微鏡分辨率的前世界紀(jì)錄——亞埃級(jí)分辨率——是在利用像差校正透鏡以及 300 keV（30 萬(wàn)電子伏）超高電子束能量下獲得的。通常情況下,，原子鍵的長(zhǎng)度大約在一到兩個(gè)埃（Å）左右,，所以亞埃級(jí)分辨率能夠使科學(xué)家輕松的分辨單個(gè)原子的圖像。

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而利用該 EMPAD 探測(cè)器,，Muller 團(tuán)隊(duì)以單原子層厚度的單層二硫化鉬為觀測(cè)樣本,，在不使用像差校正器的情況下，獲得了電子顯微鏡成像分辨率的最新世界紀(jì)錄——0.39 埃,。

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Muller 團(tuán)隊(duì)目前所能達(dá)到的破世界紀(jì)錄分辨率,，僅需 80 keV 電子束能量。在這一較低的,、破壞性較小的低電子束能量下,，單靠像差校正透鏡獲得的分辨率只能達(dá)到 0.98 Å。

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圖 | 兩片單層二硫化鉬疊加放置的疊層衍射圖像,，其中一片相對(duì)另一片旋轉(zhuǎn)了6.8°,。圖中原子間距的分布涉及到從全鍵長(zhǎng)到完全重合的情況（圖源：Nature）

EMPAD 工作原理

普通的掃描透射電子顯微鏡（STEM）工作原理是，通過對(duì)樣品發(fā)射一束狹窄的電子束射擊向樣品,，并通過來(lái)回掃描以產(chǎn)生圖像,。樣品下面的探測(cè)器通過讀取不同強(qiáng)度的電子分布并將信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)屏幕上以繪制圖像。

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而 EMPAD 的檢測(cè)器由 128×128 的電敏陣列像素組成,，每個(gè) 150 微米的正方形與一個(gè)讀出信號(hào)的集成電路相連,，這有點(diǎn)類似光敏陣列數(shù)碼相機(jī)傳感器中的像素，但 EMPAD 不是用來(lái)形成圖像的,，而是檢測(cè)電子出現(xiàn)角度的,，每個(gè)電子都可以撞擊到不同的像素。

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圖 | 左側(cè)為 STEM,，將一束狹窄的電子束發(fā)射到樣品上,，通過電子束的掃描移動(dòng)而產(chǎn)生圖像。右側(cè)為EMPAD探測(cè)器，讀取落到樣品下面的電子的角度,，以提供樣品中的原子結(jié)構(gòu)信息,。（圖源：康奈爾大學(xué)）

結(jié)合電子顯微鏡的聚焦光束，以及疊層衍射成像技術(shù)（ptychography）對(duì)相位的恢復(fù),，探測(cè)器允許研究人員在電子通過樣品時(shí)建立電子位置和動(dòng)量的“四維”圖,，以顯示內(nèi)部的原子結(jié)構(gòu)和力。

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“我們可以提取出局部應(yīng)變,、傾斜,、旋轉(zhuǎn)、極性甚至磁場(chǎng)和電場(chǎng),。”Muller 說(shuō),。

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為了不破壞二硫化鉬（MoS2）樣品的結(jié)構(gòu),，Muller 團(tuán)隊(duì)所用的電子束能量只有 80 keV。盡管電子束能量較低,，使用 EMPAD 獲得的成像分辨率卻很好,，電子顯微鏡能夠以驚人的清晰度探測(cè)到二維材料中一個(gè)缺失的硫原子，這是一種類型的晶格缺陷,。Gruner 教授說(shuō)：“這確實(shí)讓我大吃一驚,。”

由于 EMPAD 電子顯微鏡的成像能力超越了最小的原子鍵長(zhǎng)度,，所以對(duì)方法的測(cè)試需要一個(gè)新的樣品,。Muller 團(tuán)隊(duì)的 Yimo Han 博士和 Pratiti Deb 想出將兩片單層 MoS2 疊加，并且將其中一片相對(duì)于另一片旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,。這樣,，具有相對(duì)角度的兩層 MoS2 薄片上的原子投影之間就產(chǎn)生了從全鍵長(zhǎng)到相互重疊的原子間距的分布�,！斑@就像是世界上最小的尺子,！”Gruner 教授說(shuō)。

這種電子顯微鏡所使用的 EMPAD 探測(cè)相機(jī)具有超高的動(dòng)態(tài)范圍,，能夠探測(cè)超大范圍的電子強(qiáng)度——從單個(gè)電子到包含數(shù)十萬(wàn)甚至百萬(wàn)電子的強(qiáng)電子束,。

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圖 | 左側(cè)為物理教授 Sol Gruner，右側(cè)為應(yīng)用和工程物理學(xué)家David Muller教授,。

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“EMPAD 在不到一毫秒的時(shí)間內(nèi)記錄了一個(gè)圖像幀,，并且每個(gè)圖像幀可以檢測(cè)到每像素一到一百萬(wàn)個(gè)一次電子，”Muller 解釋說(shuō),�,！斑@是是傳統(tǒng)電子圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的 1000 倍、速度的 100 倍,�,！�

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亞原子結(jié)構(gòu)的新視界

在談到未來(lái)更精細(xì)分辨率的顯微鏡時(shí),，陳震博士對(duì) DT 君表示，“更好的探測(cè)器和更有效的圖像重構(gòu)算法是進(jìn)一步提高分辨率的關(guān)鍵,。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會(huì)對(duì)分辨率的提高產(chǎn)生很大的影響,。提高電子顯微鏡成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性和提高采集數(shù)據(jù)的速度也就是開發(fā)出更快的相機(jī)都能有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這些目前都在發(fā)展,，在未來(lái)五到十年還有可能出現(xiàn)新的突破,。”

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EMPAD 已由康奈爾大學(xué)授權(quán)給 Thermo Scientific (原FEI) 電鏡公司商業(yè)化,，目前已經(jīng)收到幾十個(gè)訂單,。“EMPAD 可以安裝在大部分現(xiàn)有電鏡上,，有望代替現(xiàn)在常用的點(diǎn)探測(cè)器,，也可以作為新的電鏡新的標(biāo)準(zhǔn)模塊�,！标愓鸩┦空f(shuō),。

通過這項(xiàng)新的技術(shù)，我們終于可以清晰的辨認(rèn)亞原子結(jié)構(gòu),，這無(wú)疑對(duì)材料學(xué)領(lǐng)域來(lái)講是一大好消息,。對(duì)于納米晶體材料、非晶金屬等材料,，之前我們還只能通過理論推測(cè)其精細(xì)結(jié)構(gòu),，而現(xiàn)在，終于可以進(jìn)行精確測(cè)量,。

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陳震博士還表示,，這種新的電鏡方法“可應(yīng)用在低劑量成像，大視場(chǎng)的亞原子高分辨率成像,。也可能實(shí)現(xiàn)三維全息原子分辨率結(jié)構(gòu)重構(gòu),，而這樣就能得到材料所有的結(jié)構(gòu)信息。這些方向都是現(xiàn)有的其它 STEM 技術(shù)很難做到的,，也是電子顯微學(xué)家們追求的終極目標(biāo),。在現(xiàn)有技術(shù)水平上，該方法已經(jīng)能夠用于解決很多材料,、物理和化學(xué)領(lǐng)域關(guān)心的結(jié)構(gòu)問題,，例如二維材料、能源材料和多孔材料等,�,！�

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此外，“該方法目前已有 3D 成像的實(shí)現(xiàn)方法，很有希望在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)三維成像,。由于可以做低劑量成像,，也可能對(duì)蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)成像�,！标愓鸩┦空f(shuō),。

“現(xiàn)在我們可以更好地了解完整細(xì)胞內(nèi)的過程，”應(yīng)用和工程物理學(xué)助理教授 Lena Kourkoutis 說(shuō),。低劑量的輻射可實(shí)現(xiàn)多次曝光,、拍攝細(xì)胞過程的延時(shí)攝影或從不同角度觀看相同的樣本以獲得更清晰的 3D 圖像。

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Kourkoutis 計(jì)劃利用這些技術(shù)與康奈爾癌癥代謝物理中心合作,，研究癌癥是如何在細(xì)胞間發(fā)展的,。

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