电子显微镜中的像差校正通常使用复杂且昂贵的透镜光学器件进行，通过相干衍射成像实现了在不同的探针位置收集会聚光束衍射图案，并用于通过计算确定图像部分，亚埃级电子显微分辨率长期以来一直限制着像差校正电子显微镜，其也作为了解物质原子结构和性质的有力工具。
在此，美国伊利诺伊大学香槟分校Pinshane Y. Huang教授等人演示了未校正扫描透射电子显微镜（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传统分辨率，可与它们的最高相干衍射分辨率相媲美。同时，在广泛可用的商业化显微镜中对扭曲的二维材料进行了演示，远远超过了先前未校正的STEM的衍射分辨率（1~ 5 埃）。此外，进一步展示了几何像差如何为剂量效率高的电子层析法创建优化的结构光束，本文结果也表明深度亚埃级电子显微分辨率不再需要昂贵的像差校正器。
相关文章以“Achieving sub-0.5-angstrom-resolution ptychography in an uncorrected electron microscope”为题发表在Science上。
研究背景 研究显示，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，这一特性推动了像差校正电子显微镜的发展和采用，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）中实现了亚埃级分辨率，使其成为了解原子分辨率下材料的原子结构、组成和键合不可或缺的手段。然而，像差校正显微镜是昂贵、复杂的仪器，需要高水平的专业知识来操作和维护，这限制了亚埃级尺度显微镜的广泛使用。相干衍射成像为高分辨率成像提供了另一种方法。如图 1A 所示，收集会聚束电子衍射 （CBED）图案作为探针位置的函数，生成四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）数据集。然后，电子相干衍射成像通过使用4D-STEM数据中的确定信息来解决相位问题，从而可以同时确定物体和探针。通过这样，相干衍射成像通过计算而不是使用透镜光学器件来消除像差。这一过程使得超分辨率成像成为可能，超分辨率成像超过了物理成像系统数值孔径定义的空间分辨率。 最近，电子相干衍射成像已经实现了深度亚埃级电子显微分辨率（<0.5 Å）分辨率，可分辨小至0.4 Å的原子间距，并接近设定的分辨率极限。通过达到深度亚埃级分辨率状态，深度亚埃级电子显微成像大大超过了使用环形暗场（ADF）–STEM等集成探测器的最佳像差校正工具实现的传统分辨率。值得注意的是，电子相干衍射成像首先使用未校正的显微镜进行，与传统的衍射极限和1~ 5 Å 之间的分辨率相比，它显示出明显提升的分辨率。然而，即使使用相干衍射法，未校正的工具也没有达到亚埃分辨率的重要基准，在那里它们将达到或超过像差校正的STEM的传统分辨率。相反，尽管理论上存在可能性，但到目前为止，亚埃和深亚埃相干成像仅在像差校正的STEM中实现。 内容详解 作者演示了未校正的STEM中的深度亚埃分辨率。图 1 比较了扭曲双层二硒化钨（WSe2）在未校正和像差校正的电子显微镜图像。2D材料（如WSe2）的扭曲双层（图1B）是理想的分辨率测试结构，它们包含具有一系列投影原子间距的摩尔纹图案，包括深亚埃间距，即使使用像差校正也难以解析。在来自未校正的STEM的ADF-STEM图像（图1C），分辨率足以可视化扭曲双层WSe2的摩尔晶格，但太差无法解析单个原子。相比之下，在相同的探针形成条件下获得的相位图像（图1D）解析了单个W原子和Se柱。能谱显示，未校正的ADF-STEM的信息传输极限为~1.7 Å（图1E），相干衍射成像的信息传输极限为0.44 Å（图1F），表明空间分辨率提高了近四倍。这些数据证明了未校正的STEM中的深度亚埃分辨率。至关重要的是，作者在商业化的未校正STEM中获得了这些结果，除了增加了一个高动态范围的直接电子探测器外，没有对显微镜本身进行任何修改。 更加重要的是，作者使用像差校正的STEM重复这些测量（图1，G到J）。通过像差校正，ADF-STEM（图1G）和相干衍射相位图像（图1H）都分辨了单个原子。相应的快速傅里叶变换（FFT;图1，I和J）ADF-STEM的信息传输限值为0.95 Å，相干衍射成像的信息传输限值为0.41 Å，与先前在像差校正仪器中的工作相当。值得注意的是，在未校正的STEM中，电子相干衍射成像（0.44 Å）实现的分辨率与像差校正显微镜（0.41 Å）中的层析分辨率几乎相同，并且很容易超过像差校正的ADF-STEM（0.95 Å）的分辨率。这一结果在实践中实现了长期寻求的没有像差校正器的亚埃级显微镜的理论可能性。
同时，有两个关键因素实现了亚埃级分辨率。首先，虽然先前在未校正的STEM中的电子相干衍射成像研究通常使用明场盘内或略外的电子，但使用高动态范围电子显微镜像素阵列探测器（EMPAD）进行全场相干衍射成像。其次，发现混合态成像解释了探针的部分相干性，对于在未校正的STEM中实现亚角叠层成像至关重要。这种方法与像差校正工具不同，在像差校正工具中，可以使用单态层析法实现亚埃级分辨率。混合状态方法可能部分补偿了未校正的STEM典型的较低机械和电气稳定性。本研究中使用的未校正显微镜具有肖特基场发射枪。同时注意到，本文的结果可能受益于显微镜室的高环境稳定性，未校正的STEM位于以前被像差校正仪器占用的房间中。
图3.亚埃分辨率的电子相干衍射模拟
图4. 利用像差技术优化电子相干衍射探针
综上所述，本文的研究为未校正的STEM带来了高质量、深亚埃级分辨率成像。值得注意的是，与像差校正工具相比，未校正显微镜的成本要低得多，使用范围更广，并且与原位方法更兼容。使用本文的方法，几乎任何扫描透射电子显微镜都可以适应，以实现最先进的深度亚埃分辨率，此结果有可能催化深亚埃级分辨率表征更加广泛应用。此外，本文的方法应该与快速发展的电子相干衍射领域的新兴技术兼容，包括电场和磁场的测量。最后，作者展示了一种可以创建针对剂量效率相干衍射成像优化的结构化探针，这种方法可能用于开发新的基于成像的低剂量和3D成像。虽然像差校正的STEM将继续为需要形成明亮、聚焦探针的原子尺度化学映射等应用提供相当大的好处，但本文结果代表了在亚埃级和深亚埃级分辨率上扩大电子显微镜范围的重要一步。
Kayla X. Nguyen†, Yi Jiang†, Chia-Hao Lee†, Priti Kharel, Yue Zhang, Arend M. van der Zande, Pinshane Y. Huang*, Achieving sub-0.5-angstrom-resolution ptychography in an uncorrected electron microscope, Science. (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl2029
