三維斷層成像技術（tomography），打破了傳統二維投影成像的限制，越來越廣泛的應用到材料研究領域，極大的促進了對材料構效關係的研究。這項技術發展至今，已經成為了研究材料科學的有力手段。因為其重要性，MRS邀請Hanfei Yan，Peter W. Voorhees， 和 Huolin Xin 三位科學家作為特邀編輯，迎來納米三維斷層成像技術的特刊。今天小編就通過這三位國際知名專家所寫的概論文章，來盤點一下目前斷層成像技術在材料科學領域最前沿的進展。
Tomo一詞來源於古希臘語，意為片層，顧名思義，tomography就是通過一系列二維片層圖像，通過數學變換得到物體三維結構。最常見的例子如醫用CT，通過採集不同角度的X射線信息，得到病人病變組織的確切信息。為了實現納米尺度tomography，科學家使用兩種不同的入射信號進行成像：高能X射線和透射電子束。
高能X射線：由於高能X射線難以聚焦，因此長期以來難以直接用以成像。在70年代科學家利用菲涅爾波帶片第一次建造了透射X射線顯微鏡（TXM），緊接著，在80年代，掃描透射X射線顯微鏡（STXM）也成功研製，隨著納米光學器件工藝的飛速發展，X射線成像技術的空間分辨率已經達到10nm，商業化的TXM分辨率也已經達到50nm的分辨率。X射線成像常見的兩種模式為掃描模式以及透射模式。掃描模式與其它掃描顯微鏡類似，利用聚焦的X射線束斑對樣品進行逐行掃描，並且同時收集產生的熒光，衍射以及透射信號，這些信號可以對樣品的形貌，元素分佈以及應力分佈等同時進行成像。掃描模式的分辨率受限於X射線探針的尺寸，並且通過疊層衍射成像技術可以更進一步提高空間分辨率。
通過樣品臺的旋轉採集不同角度下的2D圖像，可以對樣品進行三維重構，但是通常來說這是一個很漫長的過程。與之相反，全場TXM可以在很短的時間內直接對整個樣品進行拍照，更加適合觀測樣品的動態過程 ，圖1d展示了Ag晶須在Cu表面的原位生長過程。然而TXM缺點在於，X射線吸收強度是唯一的襯度，對於X射線吸收較弱的樣品不敏感。目前，TXM結合同步輻射光源，可以在元素吸收邊附近進行能量掃描，從而可以實現納米材料元素，價態以及形貌的三維變化過程。
▲圖1：TXM/SXM原理以及應用
透射電子束：與X射線類似，電子束穿透薄樣品併產生各種信號，也可以用來進行三維成像。由於球差矯正器的出現，先進的電子顯微鏡分辨率可高達50pm，然而由於光闌數值孔徑限制，其縱向分辨率往往比較低。絕大多數Electron tomography通過一系列樣品傾轉並採集二維圖像得到。
相比於TXM的tomography，ET優勢不僅在於極高的空間分辨率，更重要的是多樣的信號可以對樣品的化學組成，電子態，晶向，位錯，缺陷等進行三維成像。圖2a-b 展示了NiCo合金顆粒在原位氧化過程中形貌（HAADF-STEM tomography）以及元素分佈(EELS-STEM tomography)的動態變化。由於Kirkendall效應氧化過程會形成空心狀，但是氧化物殼層破裂則會使O2擴散到顆粒內部形成多孔結構。而元素分佈的tomography則顯示了對於這種多孔結構，顆粒的內外表面由於O2的作用都會富集Co。圖2c顯示了NiO納米片邊緣的三維形貌（BF-TEM tomography）並不是單一的結構，而是由（001）晶面和（111）晶面共同組成。
▲圖2：不同採集模式下的electron tomography
對於軟物質或者生物材料來說，控制電子輻照極為重要。Xin等人通過低壓低電子劑量技術（Low-dose tomography）實現了對有機/無機材料的三維成像，圖2d顯示了聚合物包裹Au顆粒的三維結構。圖2e則顯示了Miao組的原子分辨率的重構，並且能夠區分重原子與輕原子。而圖2f展示了另一種三維成像技術-單顆粒成像，這項技術通常應用在DNA等有機大分子的重構。
對於所有的tomography技術而言，都會存在一個共有的問題---缺失角度，這通常是由於採集角度並不是連續的造成的，因此在倒易空間內，採集的圖像會出現很大的缺失角度，嚴重的影響了重構圖像質量。儘管一些傳統的方法也可以一定程度上彌補這種不足，但是效果差強人意。Xin等人率先地將深度學習生成對抗網絡應用到tomography的重建中（圖2g），通過深度學習將缺失的信息填補起來，並且消除重構過程中產生的噪音，偽影等。
但是目前ET依然存在諸多挑戰：
1：樣品尺寸。 電子顯微鏡探測深度受限於電子平均自由程，對於常見的200KeV電子，其平均自由程大約為100nm，因此，樣品的尺寸最好小於這個值。
2：視場大小。斷層三維重構的分辨率由Crowther準則決定。通常對於納米尺度的重構，視場範圍為100-300nm，對於原子級重構，則需要10-20nm。
3：傾轉角度。大多數為tomography設計的樣品杆也只能在±70°範圍內傾轉，通過減小銅網的大小可以擴大傾轉範圍。但是與此同時，對於常用的支持膜，隨著傾轉角度增加，縱向厚度會顯著的增加，在70°的時候，電子穿透的厚度是無傾轉情況的3倍，如果沒有能量過濾器，TEM下采集的像分辨率會極大的降低。這就是為什麼做細胞重建通常不使用超過60度的傾轉的緣由。
4：圖像採集數量。如果對1nm的特徵區域進行成像，視場的大小通常需要50nm，圖像分辨率至少需要512*512，並且考慮到輻照的限制，一個tomography通常會有70~140張投影
5：時間分辨率。儘管採集圖像的過程是很迅速的，但是每次傾轉後需要重新將樣品移動到eucentric高度，這通常佔據了大部分時間。因此對於常規的tomography，採集時間一般為1~3小時。
前景展望：
X射線tomography近年來得到了快速的發展，多種模式，納米尺度，原位研究等都可以通過先進的X射線技術得以實現。目前X射線tomography通常會需要巨大的數據量，這使得數據分析處理都比較困難。新一代的高亮度，高相干性的X射線，結合飛速發展的機器學習，可能會為這一現狀帶來突破。
對於electron tomography來說，目前還遠沒有達到成熟的地步，其中最主要的因素在於，常規的tomo需要大量的時間用來調整樣品位置，但是事實上，樣品在傾轉時候的移動與傾轉角度其實是存在一定關係的，因此改善這一步可以大大提升採集效率。
其次，正如上文所說，缺失角度的問題存在於所有的tomography中，事實證明，深度學習可以非常有效的解決這一問題，提升重構的質量。
第三，在處理重構圖像過程中，需要精確的對圖像進行對準，這對於納米尺度重構來說是比較輕鬆的，但是到了原子尺度，這樣的對齊往往十分困難。
第四，考慮到電子輻照，儘管STEM模式擁有豐富的信號選擇，但是明場像TEM較低的電子劑量對於輕元素以及一些生物材料以及納米團簇的原子級別tomography來說是最好的選擇。
儘管面臨各種各樣的困難，但是隨著科技的不斷進步，更加先進的設備，配件，技術等，一定會推動納米重構的快速發展，並且越來越廣泛的應用到材料科學的研究中。
作者介紹：
忻獲麟教授，康奈爾大學博士學位，在美國勞倫斯伯克利實驗室進行博士後研究。2013年到2018年間，他在布魯克海文實驗室建立了三維原位表徵課題組。2018年夏，轉職於美國加州大學尓灣分校物理系並建立了以深度學習為基礎的人工智能電鏡研究組DeepEM Lab。忻獲麟教授是電子顯微學領域國際上的知名專家，是電鏡行業頂級年會Microscopy and Microanalysis 2020的大會主席以及2019年的大會副主席，是布魯克海文國家實驗室的功能納米材料中心和勞倫斯伯克利國家實驗室提案審查委員會成員，是微束分析學會、美國顯微學會、美國納米學會和Sigma Xi學會的會員，是Nat. Mater, Nat. Energy, Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Science Adv., Joule, Nano Lett., AM 等眾多期刊的審稿人。他從事人工智能電鏡和深度學習、原子級掃描透射電鏡以及能譜相關的理論和技術、高能電子隧道理論以及三維重構理論等方向的研究。除了理論和方法學的研究，他應用三維電子斷層掃描術對鋰電池、軟硬物質界面、金屬催化劑等多方面進行了深入的研究。其課題組發表文章超過150篇，其中在Science，Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Energy, Nature Commun.系列頂級期刊上發表文章33篇，（其中8篇作為通訊發表）。他在表徵和清潔能源方面的研究受到政府和大型企業的關注，2018年一年他作為項目帶頭人(Lead PI)得到能源部和企業界超過兩百萬美元的資助用於其課題組在綠色儲能和熱催化材料方向的研究。他的課題組(DeepEMLab.com)歡迎致力於研究和拓展電子顯微學以及儲能、催化、納米制備、規模生產方向的學生學者加入和訪問。
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附：本期專欄文章鏈接
Nanoscale x-ray and electron tomography
https://doi.org/10.1557/mrs.2020.90
Multimodal x-ray nanotomography
https://doi.org/10.1557/mrs.2020.85
Probing nanoscale structure and strain by dark-field x-ray microscopy
https://doi.org/10.1557/mrs.2020.89
High-dimensional and high-resolution x-ray tomography for energy materials science
https://doi.org/10.1557/mrs.2020.86
Atomic electron tomography in three and four dimensions
https://doi.org/10.1557/mrs.2020.88
Electron tomography for functional nanomaterials
https://doi.org/10.1557/mrs.2020.87
