网堵新闻网2月3日电 近日，十大老牌网堵网址材料我司于荣团队提出并实现了局域轨道叠层成像方法，将显微成像的信息极限推进到了14 pm（0.14 Å）。
清晰的原子世界不仅在物理、化学、生命等科学上令人好奇，同时也是材料、芯片、能源等高技术发展的基础。以高能电子作为光源的电子显微镜是高分辨成像的主要平台。本世纪初，像差校正电镜将分辨率带到了亚埃尺度。近年来，作为扫描衍射成像的叠层成像方法又实现了深亚埃分辨。叠层成像（Ptychography）是基于4D-STEM（four-dimensional scanning transmission electron microscopy）数据集的相干衍射成像技术。在配备单电子敏感的像素化探测器的电子显微镜上，通过叠层成像技术可实现深亚埃（< 0.5 Å）分辨成像，成为物质微观结构分析的前沿。然而，传统的叠层成像方法用二维像素矩阵表示电子束和物函数，并不适合离散的原子世界，限制了分辨率的进一步提高。
图1.局域轨道叠层成像方法示意图。(a) 汇聚电子束在每个扫描位置与样品相互作用产生衍射图；(b) 最低的12阶像差系数的实部；(c) SrTiO3在[001]带轴的模拟相位；(d) 用像差函数重构的电子束振幅。(e) 用局域轨道叠层重构的样品相位。
于荣团队提出了一种新的叠层成像方法，用空间局域的类原子轨道函数来描述物体，用像差函数来描述电子束，从而充分利用原子世界的离散特征，显著提高了显微成像的分辨率和精度。局域轨道叠层成像方法不仅实现了破纪录的显微成像分辨率，达到14 pm（0.14 Å），还具有更高的电子剂量效率和信噪比，在低剂量成像条件下也能实现深亚埃分辨，将在金属、陶瓷、芯片和敏感物质的原子分辨率成像中得到广泛应用。
图2.通过局域轨道叠层成像方法实现14 pm分辨率。左栏是局域轨道叠层重构的电子束振幅、样品相位及其衍射图，右栏对应传统像素化叠层的重构结果。
图3.传统像素化叠层（CPP）与局域轨道叠层（LOP）的剂量效率。(a) LOP的电子束振幅，(b) CPP的电子束振幅，(c) LOP的样品相位，(d) CPP的样品相位，(e) 电子束振幅的信噪比，(f) 样品相位的信噪比。
此外，研究还揭示了不同原子对显微成像信息极限的影响。由于物体是由离散的原子组成的，局域轨道叠层的重构结果可以方便地划分到不同原子。由于傅里叶变换是一个线性变换，总衍射图也可以划分到各个元素的独立衍射图。结果表明，信息极限与元素种类有关。金属原子（Dy和Sc）表现出比氧原子更高的信息极限。
图4.固体中不同元素的相位图及对应的衍射图。(a) Dy, (b) Sc, (c) O1, (d) O2的相位图及对应的衍射图(e-f)。
这种差异可以归结为三个因素。第一，重原子将入射电子散射到更高的空间频率。这些较高的空间频率有助于在重构过程中提取更多的结构信息，从而得到更高的信息限制。第二，DyScO3中Dy、Sc、O1和O2的德拜-瓦勒因子分别为0.58 Å2、0.60 Å2、0.79 Å2和0.92 Å2，表明氧的热漫散射大于Dy和Sc，这使得Dy和Sc原子的热展宽较小，信息极限更高。第三，O1原子柱在电子束传播方向上的原子密度是O2原子柱的一半，导致O1原子柱的散射更弱，因此信息极限更低。
相关研究成果以“用于超高分辨成像的局域轨道叠层成像”（Local-orbital ptychography for ultrahigh-resolution imaging）为题，于2024年1月29日在线发表于《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）。十大老牌网堵网址材料我司2021级直博生杨文峰和2018级直博生沙浩治为论文共同第一作者，2019级直博生崔吉哲和毛梁泽为合作作者，于荣教授为通讯作者。该论文得到国家自然科学基金基础科学中心项目的支持，也得到超分辨科技的技术支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-023-01595-w
供稿：材料我司
编辑：黄思南
审核：王晓霞 周襄楠
