长期以来，亚埃级电子显微分辨率一直局限于像差校正电子显微镜，它是理解物质的原子结构和性质的有力工具。

近日，美国伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois Urbana–Champai）Kayla X. Nguyen，Chia-Hao Lee，Pinshane Y. Huang等，阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）Yi Jiang等，在Science上发文，报道了未校正扫描透射电子显微镜scanning transmission electron microscope (STEM) 中的电子相干衍射成像，其深亚埃空间分辨率低至0.44埃，超过了像差校正工具的常规分辨率，并与它们的最高图像分辨率相媲美。

在广泛使用的商业显微镜中，演示了二维转角材料，远远超过了先前未校正的STEM分辨率（1到5埃）。还进一步展示了几何像差如何为剂量有效的电子成像创造优化的结构光束。研究表明，对于深亚埃分辨率，不再需要昂贵的像差校正器。‘

走进阿秒的世界

阿秒作为一个时间单位，1 阿秒=10^-18 秒，这是什么概念呢？一秒中之内的阿秒数，和宇宙诞生以来的秒数相同。

更具体地来说，一道光从一间寻常大小房间的一端传播到另一端的墙上，这需要上百亿阿秒。真空中，光在一阿秒内能够前进的距离大约是 0.3 纳米。

一只小小的蜂鸟每秒能够拍打翅膀 80 次，在人类眼睛看来，蜂鸟的翅膀则是一片模糊的影子。要想得到一张飞行中的蜂鸟翅膀照片，需要高速摄影以及速度与之相匹配的照明技术的支持。

同样地，在微观世界中，当电子在原子之间移动时，它的位置和能量是以阿秒时间量级变化的。要想探查电子的运动状态，给电子“拍视频”，那这肯定离不开阿秒激光脉冲的助力。阿秒激光脉冲，就是持续时间在阿秒量级的一个闪光。

它的出现，推开了微观世界的一道新大门，这意味着人们研究物质结构的能力上到了一个新的层面，基础物理学的研究领域也因此掀起了一股新风潮。

当前，物理学大厦上空飘散着的乌云，阿秒脉冲或许会带来一些转机。

突破光学显微分辨极限

无需校正即可实现低于0.5（0.05 纳米）埃分辨率的叠层成像技术！

电子显微镜的空间分辨率一直受到磁透镜固有像差的限制。这种特性推动了像差校正电子显微镜的发展和应用，其中电磁元件串联组合以校正透镜像差。二十多年来，像差校正器在透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）中实现了亚埃分辨率，使其成为了理解物质原子结构和性质的有力工具。然而，像差校正显微镜价格昂贵而且结构复杂，需要高水平的专业知识来操作和维护，这限制了人们广泛使用亚微米级显微镜。

叠层成像方法为高分辨率成像提供了一种替代方法。会聚束电子衍射（Convergent-beam electron diffraction，CBED）图案作为探针位置的函数被收集，从而产生四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）数据集。然后，电子叠层成像方法通过使用4D-STEM数据中过度确定的信息来解决相位问题，从而同时确定物体和探针。因此，叠层成像法通过计算来消除像差，而非使用透镜光学。这一特点使得实现超分辨率成像成为可能。最近，电子叠层成像方法已经实现了亚埃级别（＜0.5Å）的分辨率。然而，即使使用了叠层成像方法，未经校正的电子显微镜也尚未达到亚埃级别分辨率。

在此背景下，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Pinshane Huang（诺奖风向标、2018年美国斯隆研究奖获得者）团队通过将数据收集扩展到具有大动量散射的电子，并考虑探针的部分相干性，开发了一种未经校正的扫描透射电子显微镜（STEM）中的电子叠层成像技术，实现了更高的空间分辨率，可达0.44Å，超过了像差校正工具的传统分辨率，并可媲美其最高叠层成像分辨率。

作者在被广泛使用的®商业显微镜中对扭曲的二硒化钨双层样品进行了演示性观测，证明该方法的成像分辨率远超先前未校正STEM的叠层成像分辨率（1到5 Å）。该工作以题为“Achieving sub-0.5-angstrom–resolution ptychography in an uncorrected electron microscope”的论文发表在最新一期《Science》上。

该工作报道了通过叠层成像技术，仅利用未校正的STEM即可实现高质量、亚埃分辨率的成像。未校正的显微镜比像差校正的工具成本更低，更易获得，并且与原位方法更兼容。几乎任何扫描透射电子显微镜都可采用该方法实现亚埃分辨率。此外，该方法可与电子叠层成像领域的能量技术兼容，包括多层叠层成像和电场、磁场的测量，有可能扩大其应用范围。最后，该工作提出了一种简单的方法来创建针对剂量有效的叠层成像优化的结构化探针，该方法有望助力开发基于叠层成像的低剂量和3D成像的新技术。

文章来源： 云南科协，今日新材料，高分子科学前沿 ，