通訊作者：David A. Muller
通訊單位：康奈爾大學（美國）
研究亮點：
1. 實現了新的空間分辨率世界紀錄
2. 極大提高了二維材料原子分辨率圖像的質量
直接看清楚材料中的原子排列通常是理解和探索納米尺度新物理的重要條件。在一次非常著名的演講中（There's Plenty of Room at the Bottom），諾貝爾物理學獎得主費曼（Richard Feynman）曾說過，在納米及原子尺度存在大量尚未發現的物理現象。
在費曼演講的那個時代（1959年），最好的電子顯微鏡的分辨率也只能達到1納米，遠遠無法實現直接看到單個原子的願望。提高透射電子顯微鏡的空間分辨率是電子顯微學家們長期努力的目標之一，原子分辨率的實現更是直接導致了準晶和碳納米管的發現。
然而，分辨率的提高絕非易事。
透射電鏡從發明（E. Ruska, 1931）到能看到單個原子（A. V. Crewe, 1970），經過了整整四十年，而到原子分辨率實用化（1980-1990）又至少過了十年。球差矯正器的發明和普遍使用又在差不多二十年之後了。也就是到球差矯正電鏡比較普及的今天，我們才真正敢說，對大多數材料都能夠得到非常清晰的原子分辨率的圖像。
左圖，1933年Ernst Ruska的第一臺電子顯微鏡，圖片來源於Wikipedia；
右圖，2009年第一次實現遠亞埃的現代電子顯微鏡，圖片來源於NCEM網站
在2009年，電子顯微鏡實空間分辨率實現了約0.05納米的遠亞埃（<0.5埃），已經成為分辨率最高的材料成像手段，也是最常用的材料表徵工具之一。然而，對於電子束輻照敏感材料，例如二維材料，由於只能選擇較低的電子加速電壓（60~80 kV）成像，空間分辨率一般很難好於0.1納米。進一步提高空間分辨率通常需要很複雜和昂貴的色差和高階球差矯正器，目前技術上尚未成熟。
有鑑於此，康奈爾大學David A.Muller研究組採用一種新的層疊衍射圖像重構技術（ptychography）和自主研製的電子探測相機，在低電壓（80 kV）成像條件下，實現了0.04納米的分辨率，刷新了分辨率的世界紀錄。
這種成像技術採用原子大小的電子束，採集二維掃描區域每個位置整個會聚束衍射圖，再通過成像算法重建出材料的結構。層疊衍射圖像重構技術在X射線和光學成像領域已有比較廣泛的應用，但是由於傳統CCD相機讀取速度的限制，在電鏡中的應用尚處於起步階段。要獲得很高的分辨率，每個衍射圖既不能過飽和又需要在暗場區域採集足夠強的信號，因此探測相機需要有很高的動態範圍。
為了避免樣品的漂移和輻照損傷，相機的讀取速度必須足夠快。康奈爾大學David A. Muller教授和Sol Gruner教授研究組經過多年的共同研發，設計製造出了基於CMOS技術的電子顯微鏡像素陣列探測相機（EMPAD）。
這種新的探測相機具有一到一百萬電子的超高動態範圍，保證非常強的透射束和很弱的衍射束強度仍保持很好的線性關係，同時具有單電子靈敏度和超低的讀取噪音，以及每秒鐘可以讀取超過1100幀的超快讀取速度，非常適宜於掃描衍射實驗。同時具備上述優點的新的探測相機讓這種新的成像技術真正實用化，進而有望逐漸代替傳統成像技術。
為了直接在實空間展現出高的分辨率，該工作選擇雙層帶有旋轉角的硫化鉬二維材料，由於小角度的相對旋轉使得上下兩層硫化鉬的原子在投影方向不重合，產生了從0到0.18納米的連續原子間距，從而可以直觀地標定空間分辨率。下圖1比較了同一個區域利用球差矯正電鏡目前常用的環形暗場像（ADF）和利用層疊衍射重構得到的圖像，其中環形暗場像的分辨率約為0.1 納米，而層疊衍射重構得到的圖像可以清晰地分辨出大於0.04納米的原子間距，分辨率提高了大約2.5倍，這個分辨率也超過了在高電壓下取得的分辨率世界紀錄，更是遠好於普通成像技術能在二維材料中實現的分辨率。
圖1. 直接對比相同樣品區域的普通成像技術，環形暗場像（左圖）和新的層疊衍射重構圖（右圖）
該工作也從圖像的傅里葉變換衍射譜標定了空間分辨率。如圖2所示，使用單層硫化鉬樣品，仔細比較通常的成像模式和層疊衍射重構技術的原子大小和衍射圖擴展的散射角，可以明顯看出這種新的成像技術大大突破了透鏡光闌決定的瑞利衍射極限，實現了最高約為0.04納米的可清晰解釋的信息傳遞。另外，分辨率大大提高的同時，圖像的襯度也大大地提高了，在重構圖裡能夠非常清晰地看見單個硫原子的點缺陷。
圖2. 環形暗場像（上圖）和層疊衍射重構圖（下圖），右邊為對應傅里葉衍射圖，紅色箭頭指示單個硫空位的點缺陷。
值得一提的是，從最早只有16x16像素並且不是很可靠，到現在將被應用在全球幾十臺頂級電鏡上，這個新一代的探測相機經過了數人近十年的努力。這種面探測相機有望作為一個普適的探測相機取代現在常用的不同直徑的多種環形點探測相機。而這種新的層疊衍射圖像重構技術，不需要額外購買新的昂貴的電鏡（帶球差矯正的電鏡的價格通常在幾千萬人民幣/臺），可以在常用電鏡上使用。該探測相機由康奈爾大學授權Thermo Scientific（原FEI）電鏡公司出售，在開始接收訂單的一年多時間內，已經收到來自世界各地的幾十份訂單。
更重要的是，這種成像技術真正使得小於0.05納米的遠亞埃分辨率實用化，並且更好的重構算法還有望進一步提高分辨率。常規成像方法實現的0.05納米的分辨率只有在高電壓>200kV、非常穩定的系統和非常苛刻的條件例如非常低的成像劑量下才能達到，大多數頂級實驗室的電鏡（包括在康奈爾大學的Titan Themis，分辨率最好只能達到約0.08納米）都無法實現，通常球差校正電鏡驗收指標是在200kV或者300kV分辨率好於0.08納米。但是，該方法可以應用於大的電壓範圍（20-300kV）和易輻照損傷的樣品中，對研究更復雜的材料缺陷，低劑量成像甚至三維重構等技術都可能產生革命性的影響。在二維材料，納米材料和MOF等材料研究領域將會有非常廣泛的應用前景。
該分辨率已經接近原子本身的大小極限，是繼球差矯正器實現遠亞埃分辨率十年之後空間分辨率的又一次重大突破。
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