功能材料的结构-性能关系是材料科学研究的核心。高分辨透射电镜(HRTEM)作为一种先进的结构表征工具,在揭示材料微观结构方面发挥着至关重要的作用。然而,许多功能材料,特别是有机-无机杂化材料,对电子束十分敏感,易受损伤。
金属有机框架(MOFs)是一类新兴的多孔材料,具有可设计的结构和优异的性能,在气体存储、分离和催化等领域展现出巨大潜力。然而,MOFs的有机配体对电子束极为敏感,这给其微观结构表征带来了巨大挑战。
在使用HRTEM对MOFs进行成像时,研究人员发现电子束损伤严重限制了成像分辨率。在多次尝试中,仅能观察到MOFs的主要孔道结构,而无法获得更精细的原子级分辨率信息。这一问题严重阻碍了对MOFs微观结构与性能关系的深入理解。
电子束损伤机制复杂多样,主要包括击出（knock-on）损伤、加热效应和辐解等,且不同材料的敏感性各异。
为减轻束损伤,研究人员采取了多种策略。降低电子束能量是一种常用方法,低加速电压HRTEM已在碳纳米管和石墨烯成像中取得成功。然而,这种方法也带来了分辨率降低和穿透深度变浅等问题,且仅能缓解击出损伤。冷冻TEM技术虽可在一定程度上减轻加热损伤,但效果有限。
一种更具普适性的解决方案是采用极低剂量电子束成像,以期在损伤发生前捕捉样品结构。这种方法理论上可行,但实际操作困难重重,主要受限于相机性能。传统相机在如此低剂量条件下无法产生信噪比足够高的图像。因此,开发高灵敏度相机技术成为克服电子束损伤的关键。
直接探测电子探测(DDEC)相机在结构生物学领域已经取得了显著成果,但在材料科学中的应用仍面临诸多挑战。
首先,与生物样品不同,晶体材料需要沿特定晶带轴方向成像,这对束敏感样品而言是一个挑战。其次,电子计数模式产生的连续短曝光图像需要精确对齐。最后,由于无法获取系列焦点,准确解释图像也存在困难。
尽管如此,研究人员已经成功地使用DDEC相机对金属有机框架材料(如ZIF-8)进行了超低剂量成像。但这个过程仍然效率低下且不可靠。为此,开发了一套新方法来克服这些障碍,旨在将束敏感材料的HRTEM成像变成一个常规过程。
为设计MOFs的定量HRTEM条件,首先评估了它们在300 kV加速电子束下的稳定性。结果表明,当累积电子剂量达到10到20 e/Å2时,MOFs开始失去结晶度,这是通过电子衍射(ED)斑点的消失来确定的。这些值设定了用于定位晶带轴和随后图像采集的累积电子剂量的上限。
在实验中,使用DDEC相机在55,000倍的合理高放大倍率下获取图像,以达到原子分辨率(像素大小:0.57 Å× 0.57 Å),电子剂量为每像素2到4个电子(6到12 e/ Å2)。因此,用于寻找晶带轴的最大电子剂量小于10 e/Å2。常规的手动晶带轴对准方法无法满足这一阈值,因为它需要在衍射和成像模式之间进行耗时的迭代切换,通常导致总电子剂量达到每平方埃数百个电子。
晶带轴自动对准技术的创新
研究人员最近开发了一种新颖的程序,可实现晶体样品晶带轴的快速、精确对准。该方法基于电子衍射(ED)图样中劳厄圆的识别和分析,克服了传统技术依赖衍射强度的局限性。
该程序首先通过分析离轴ED图样中衍射的空间分布来识别劳厄圆。通过劳厄圆半径和电子束波长,可以确定入射束与晶带轴之间的偏离角ϕ。随后,程序将ϕ分解为与双倾样品台α和β轴对应的两个倾斜分量ϕα和ϕβ。
应用计算得出的倾斜角,可以直接将晶体从初始取向调整到与晶带轴对准。整个过程仅需获取两次ED图样,电子剂量消耗极低（低于1 e/Å2）,有效避免了样品损伤。
这种方法要求初始晶体取向与晶带轴的偏差在±5°以内。尽管如此,在随机取向的粉末样品中观察到劳厄圆的概率仍超过10%,表明该技术具有广泛的实用性。
电子束敏感材料的HRTEM常常受到电子束诱导样品运动的影响,导致图像模糊。直接电子探测(DDEC)相机的应用为解决这一问题提供了新的可能。通过将总曝光时间分解为一系列短曝光帧,并精确校正帧间漂移,可以有效减轻样品运动的影响,前提是可以通过图像对准精确校正帧间漂移。
然而,这种方法在实践中面临着两难困境。一方面,为最大限度地减少样品运动和探测器统计误差,每帧曝光时间应尽可能短。另一方面,束敏感材料要求低电子剂量率以避免结构损伤,这又导致了信噪比极低的嘈杂帧,无法使用基于特征匹配或相位相关的常用方法进行对准。
为提高信噪比,可采用帧合并或图像过滤等方法。但这些方法各有局限性:帧合并相当于延长曝光时间,可能损害图像分辨率;而现有过滤器在高噪声水平下效果不佳。
图像对齐技术在信号处理领域中扮演着至关重要的角色。基于傅里叶变换的图像对齐方法,允许将空间域图像转换为频率域表示,从而能够分析图像的空间频率组成。图像的平移可通过观察傅里叶变换中相位的变化来确定。然而,在处理噪声图像时,低信噪比会显著影响相位确定的准确性,从而降低对齐效果。
为了解决这一问题,本文提出了一种新颖的"振幅过滤器"方法。该方法基于这样一个假设:傅里叶变换中振幅较强的像素可能包含更可靠的相位信息。通过选择性地分析这些高振幅像素,我们可以最小化噪声对相位确定的影响。
这种方法的优势在于它能够有效地排除那些易受噪声干扰的弱振幅像素,从而提高相位分析的准确性。实验结果表明,该方法在处理低信噪比图像时表现出色。
图1 使用"振幅过滤器"对图像堆栈进行对齐。
(A)极低剂量（0.033 e/像素）下的单帧图像
(B)沿<011>晶带轴获取的UiO-66高分辨透射电镜(HRTEM)图像堆栈(共120帧)中相应的傅里叶变换(FT)。
(C)通过叠加所有帧的FT振幅分量形成的FT振幅模式。
(D)采用(C)中滤波后的振幅修改单帧的FT。
(E)通过(D)的逆傅里叶变换产生的振幅滤波单帧图像。
(F)从滤波后帧中确定的图像漂移轨迹。
(G)基于(F)的漂移校正图像。
(H)通过互相关的漂移校正图像，其中图像堆栈进行了1 ×1 ×10的binning以提高信噪比。
(I)直接叠加所有帧形成的未校正图像。在(G)至(I)中，相应的FT作为插图显示；半圆表示2Å的频率。在(G)中，局部区域被放大以突出观察到的14–4 4衍射(d = 1.4 Å)。
"振幅过滤器"方法,用于提高低剂量电子显微图像的质量。与传统方法不同,该技术首先整合图像堆栈中所有帧的傅里叶变换(FT),以识别强振幅像素。
以UiO-66金属有机框架的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像为例,在极低剂量下,单帧FT中难以识别衍射。然而,通过对所有帧的FT振幅分量求和,隐藏的衍射得以显现。随后,通过设定阈值过滤掉弱像素,并将剩余像素的振幅与原始FT的相位结合,生成修改后的FT。
现在可以使用TEM沿不同晶带轴研究各种金属有机框架(MOFs)，并从获得的图像中恢复高分辨率信息。图2展示了MOF UiO-66的结果。成功获得<001>、<011>、<111>和<013>四个晶带轴的高分辨TEM图像，证明了这种晶带轴对准方法的有效性。这些图像的傅里叶变换显示，所有方向上的信息传递均小于2埃，证实了图像对准方法的有效性。
图2 从不同晶带轴获得的UiO-66的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像
(A) <001>，(B) <011>，(C) <111>，和(D) <013>。上、中、下三行分别显示原始图像、去噪图像和原始图像的傅里叶变换（FT）。FT中的半圆代表2埃。在所有方向上，都可以观察到超出圆圈的反射，表明信息传递小于2埃。例如，在(B)中突出显示了10–6 6反射（d = 1.6埃）。
HRTEM图像的对比度随样品厚度和离焦量而变化，使得单张图像难以直接解释。HRTEM的常见做法是获取一系列不同离焦量的图像进行结构重建。然而，这种方法不适用于MOFs，因为即使在低剂量条件下，也不可能获取多张图像而不造成结构损坏。
另一方面，MOFs极低的框架密度大大降低了它们的有效散射厚度；因此，可以安全地将弱相位物体近似应用于厚度达100纳米左右的MOFs。因此，如果知道图像的绝对离焦量，可以通过校正物镜的对比度传递函数(CTF)引起的"对比度反转"来使单张图像更易解释。研究人员提出可以利用MOFs的"不稳定性"来确定离焦量。具体来说，在获取MOFs的HRTEM图像后,延长电子束辐照以破坏晶体结构,并对非晶化区域进行焦点序列成像。通过分析这些图像,可以确定原始MOF图像的离焦值,从而进行CTF校正。
这种方法的成功已在一个案例研究中得到证明，其中沿<011>轴获取了UiO-66的HRTEM图像，并使用上述方法进行了对准和CTF校正。样品在真空中300°C加热10小时以去除溶剂分子，然后进行HRTEM。成像区域包含一个截角八面体晶体，其右下角突出一片超薄晶体（图3A）。
图3展示了高分辨透射电子显微镜(HRTEM)技术在分析UiO-66金属有机框架材料结构方面的应用。研究人员采用了一种新的方法，包括对准和CTF校正，以获取高质量的HRTEM图像。通过这种方法，他们能够清晰地观察到UiO-66的微观结构，包括三角形通道、金属簇和有机连接体。
更重要的是，这项技术还揭示了晶体表面的详细结构，如生长台阶和表面终止。研究发现，不同的晶面展现出不同的表面终止特性，有些暴露金属簇，有些则被有机配体覆盖。
此外，HRTEM图像还捕捉到了加热处理后UiO-66结构的微妙变化。研究人员观察到Zr簇的扭曲现象（Zr-Zr：3.34埃），可能是由于TEM样品制备过程中的部分再羟基化造成的。研究人员还注意到，由于像素大小的限制，HRTEM测量的Zr-Zr距离的精确值并不十分准确。
图3 热处理UiO-66的HRTEM图像
(A)截断八面体UiO-66晶体的漂移校正HRTEM图像和具有相同<011>取向的超薄晶体片。
(B)超薄晶体[(A)中的区域2]的CTF校正去噪图像，显示三角形通道、单个Zr原子柱和BDC连接体。箭头指示BDC连接体中的苯环。叠加图为模拟的投影势图和UiO-66的投影结构模型，用于比较。
(C)截断表面[(A)中的区域1]，显示涉及小{100}面和{111}面的晶体生长台阶(分别用蓝色和黄色标记)。白色箭头指示{100}和{111}面之间的"扭结"位置。
(D)配体终止的{111}表面：(左)结构模型；(中)通过对(A)中区域3的5个基元进行实空间平均处理的HRTEM图像；(右)以彩虹色显示的平均图像，以增加配体对比度的可见性。
(E) 无配体(金属终止)的{100}/{111}扭结：(左)结构模型；(中)通过对(A)中区域1的7个基元进行实空间平均处理的HRTEM图像；(右)以彩虹色显示的平均图像。(F)羟基化和(G)脱羟基化Zr簇的结构模型(左)和处理后的HRTEM图像(右)，显示不同的Zr-Zr距离。
此外，还展示了MOFs ZIF-8和HKUST-1以及一种锗硅沸石的HRTEM图像，经CTF校正后与相应的晶体结构吻合良好。最后还成功获取了有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3PbBr3的HRTEM图像，该材料已成为一种新兴的光电材料，并且已知对电子束非常敏感。杂化钙钛矿在光伏应用中表现出异常的电流-电压（I-V）滞后现象。铁电效应和离子迁移被认为是可能导致滞后的原因。
HRTEM图像揭示，CH3NH3PbBr3晶体含有有序的纳米尺寸畴，其中CH3NH3阳离子偏离中心位置并具有不同的取向。在图4中突出显示的两个典型畴中，CH3NH3阳离子呈现正常和平行构型（相对于投影方向），分别产生面内和面外电偶极。这一观察结果暗示了该材料中存在铁电序。
图4 有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3PbBr3的HRTEM图像
(A)经色差校正和降噪处理的高分辨透射电子显微镜图像。方框突出显示了两个有序区域，其中CH3NH3阳离子偏离中心且具有不同的取向。(B和C)CH3NH3PbBr3的结构模型（左）(30)和模拟投影电势图（右），分别对应(A)中的区域1和2。在(B)和(C)中，偏离中心的CH3NH3阳离子呈现垂直和平行构型（相对于投影方向），分别产生面内和面外电偶极。
HRTEM成像和模拟
TEM实验在一台球差校正的FEI Titan透射电镜上进行，工作电压为300 kV。球面像差校正在±5 µm范围内。样品搜索、晶带轴对准和预聚焦在13,000倍放大倍率下进行，剂量率约为0.03 e/Å2/s。
选区电子衍射（SAED）图谱使用Gatan-Ultra-scan-CCD相机采集。采集参数设置为512×512帧大小（4倍binning）和1~5秒曝光时间。在大多数情况下，未使用光阑。
HRTEM图像使用Gatan K2直接探测相机在电子计数模式下采集，并启用剂量分割功能。不同样品HRTEM成像的详细实验条件列于下表。
使用QSTEM软件模拟投影势。在模拟中，将点扩散函数宽度设置为：UiO-66为1.6 Å，HKUST-1为2.0 Å，ZIF-8为2.0 Å，混合钙钛矿为1.5 Å。
通过比较非晶"晶体"的实验傅里叶变换图谱与"CtfExplorer"软件计算的模拟图谱来确定离焦和像散条件。由对比度传递函数（CTF）引起的相位反转通过Digital-Micrograph（Gatan）中自主开发的代码进行校正。CTF校正中不包括振幅分量。
本研究开发了一种创新方法,使得对电子束敏感的晶体材料能够进行原子分辨率的TEM成像。这一突破性进展为观察金属有机框架(MOFs)等脆弱材料的局部结构提供了可能,大大拓展了HRTEM的应用范围。
研究方法主要包括两个关键创新:晶带轴对准和图像对准。晶带轴对准技术不仅降低了电子剂量,还提高了对准精度,特别适用于纳米尺寸晶体。而图像对准方法则可广泛应用于具有周期性特征的各种噪声图像。
这些技术的开发使得传统上被认为不适合TEM表征的材料现在可以进行原子级别的观察。这一进展对于研究各种"不稳定"材料具有重要意义,为材料科学领域开辟了新的研究方向。
参考文献 Science18 Jan 2018 Vol 359, Issue 6376 pp. 675-679 DOI: 10.1126/science.aao0865
Atomic-resolution transmission electron microscopy of electron beam–sensitive crystalline materials
来源于老千和他的朋友们，作者孙千
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