眼睛，這種精巧的人肉“光學(xué)儀器”是我們領(lǐng)略花花世界萬千景象的關(guān)鍵，但談到分辨率，它的能力就比較有限了，大約在0.1毫米左右。17世紀(jì)第一臺(tái)光學(xué)顯微鏡的出現(xiàn)，可把物體放大到千倍以上，這使得后來的科學(xué)家們?cè)趯?duì)微觀世界的研究中取得了突破性進(jìn)展。

由于光源波長的限制，光學(xué)顯微鏡的分辨率存在極限，約為200納米左右，這對(duì)于現(xiàn)代科學(xué)要研究的原子和分子世界來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。于是，電子顯微鏡應(yīng)運(yùn)而生。在光的波粒二象性的啟發(fā)下，1924年德布羅意提出實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性的假設(shè)，隨后電子衍射被發(fā)現(xiàn)從而證明了電子的波動(dòng)性，由此人們想到可以用電子代替可見光來制作顯微鏡，以克服可見光波長對(duì)分辨率的限制。1931年，Max Knoll和Ernst Ruska 等人制造出了世界上第一臺(tái)透射電子顯微鏡（TEM），Ruska也因此獲得了1986 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（之所以55年后才獲得諾獎(jiǎng)，其中還有一段專利之爭。不過萬幸，Ruska先生一直活到了1988年，拿到了屬于他的榮譽(yù)。相比之下，年輕的德布羅意在提出實(shí)物粒子波動(dòng)性的5年后就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，各人際遇懸殊如此之大，讓人唏噓不已）。1939年，西門子公司造出了世界上第一臺(tái)商用透射電子顯微鏡并投放市場(chǎng)，分辨率達(dá)到10納米。隨后的一系列理論和技術(shù)的改進(jìn)，電子顯微鏡的分辨率不斷改進(jìn)。例如，球差校正器使電子顯微鏡獲得了原子級(jí)分辨率，成為表征納米級(jí)結(jié)構(gòu)的常備工具。

掃描透射電子顯微鏡術(shù)（scanning transmission electron microscopy，STEM）也是廣泛應(yīng)用的表征手段。在STEM中，為獲得原子級(jí)分辨率最常見的技術(shù)是高角度環(huán)形暗場(chǎng)（ADF）成像，記錄通過大角度散射的電子形成的非相干圖像。通常情況下，為了獲得高分辨率圖像需要盡可能小的波長和盡可能大的孔徑，而后者又導(dǎo)致了相位失真?？茖W(xué)家們也想了不少辦法來解決這些問題，2009年，電子顯微鏡ADF圖像的分辨率達(dá)到了遠(yuǎn)亞埃級(jí)別——約0.5 ?（在電子束能量300 keV條件下），成為報(bào)道中的最高分辨率。

0.5 ?的分辨率對(duì)材料表征來說看起來已經(jīng)足夠了，大多數(shù)原子的直徑也不過2~4 ?。然而，對(duì)于目前熱門的二維（2D）材料的表征來說，0.5 ?的分辨率對(duì)應(yīng)的電子束能量300 keV就太高了，容易造成材料樣本的損傷。通常情況下，2D材料一般都在較低的電子束能量下表征，約20～80 keV，但較低的能量意味著較長的電子波長，這使得ADF成像的分辨率大大降低，一般在1 ?左右。進(jìn)一步提高空間分辨率通常需要非常復(fù)雜和昂貴的球差矯正器。此外，降低電子束電壓也無法避免的電離損傷同樣限制了施加到樣品上的電子量，影響了信噪比，更進(jìn)一步降低了圖像分辨率和對(duì)比度。

近日，美國康奈爾大學(xué)David A. Muller教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章，利用疊層成像技術(shù)（ptychography）和自主研制的電子顯微鏡像素陣列探測(cè)器（EMPAD），在低電子束能量（80 keV）成像條件下，以二硫化鉬二維材料為樣品，實(shí)現(xiàn)了0.39 ?的空間分辨率，刷新了電鏡分辨率的世界紀(jì)錄。相同條件下，常規(guī)成像方法分辨率僅達(dá)到0.98 ?。相關(guān)論文發(fā)表在Nature 上，共同第一作者為Yi Jiang、Zhen Chen博士。有意思的是，一向給人感覺“奇葩百出”的“吉尼斯世界紀(jì)錄（Guinness World Records）”，也正式認(rèn)證了這項(xiàng)頗為嚴(yán)肅的世界紀(jì)錄[2]，康奈爾大學(xué)也在官網(wǎng)新聞上大方地確認(rèn)了此事 [3] 。

疊層成像技術(shù)最早在1968至1973年間由Walter Hopper等人提出 [4]，并于1969年首次在光學(xué)顯微鏡上做了演示。直到90年代開始被用于X射線顯微鏡中 [5]，用來解決具有空間結(jié)構(gòu)的樣品相位差的困擾。

Muller教授等研究者將此技術(shù)用于低電壓STEM中，來提高觀測(cè)易損樣品的分辨率。然而，新的問題又來了，由于傳統(tǒng)CCD相機(jī)讀取速度的限制，要獲得很高的分辨率，每個(gè)衍射圖既不能過飽和又需要在暗場(chǎng)區(qū)域采集足夠強(qiáng)的信號(hào)，因此探測(cè)相機(jī)需要有很高的動(dòng)態(tài)范圍。同時(shí)，為了避免樣品的漂移和輻照損傷，相機(jī)的讀取速度必須足夠快。為了滿足這些需求，Muller教授和Gruner教授等人經(jīng)過多年的共同研發(fā)，設(shè)計(jì)制造出了基于CMOS技術(shù)的電子顯微鏡像素陣列探測(cè)器（EMPAD）。這種新的探測(cè)器具有一到一百萬電子的超高動(dòng)態(tài)范圍，在非常強(qiáng)的透射束和很弱的衍射束強(qiáng)度下都能保持很好的線性關(guān)系，同時(shí)具有單電子靈敏度和超低的讀取噪音，以及每秒鐘1100幀以上的超快讀取速度。同時(shí)具備上述優(yōu)點(diǎn)的新探測(cè)器讓這種新的成像技術(shù)真正實(shí)用化，有望逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)成像技術(shù)。

隨后，研究者用電鏡在低電壓下（80 keV）測(cè)試了單層硫化鉬樣品，與傳統(tǒng)成像技術(shù)相比，可以明顯的看出新的成像技術(shù)大大的提高了空間分辨率和圖像的襯度，在原子分辨率下，是可以非常清晰地看見單個(gè)硫原子的點(diǎn)缺陷。

疊層成像重建。圖片來源：Nature

總結(jié)

常規(guī)電鏡成像方法要達(dá)到優(yōu)于0.5 ?的高分辨率，需要借助球差校正器，而且電子束能量至少要達(dá)到200 keV或者300 keV。研究者結(jié)合了疊層成像技術(shù)和電子顯微鏡像素陣列探測(cè)器，在低電壓下成功將電鏡分辨率推進(jìn)到了0.39 ?。這是繼球差矯正器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)亞埃分辨率十年之后電鏡空間分辨率的又一次重大突破。該方法可以適用于較大電壓范圍（20-300 keV）和易受輻照損傷的樣品中，對(duì)研究更復(fù)雜的材料缺陷、低劑量成像甚至三維重構(gòu)等技術(shù)都可能產(chǎn)生革命性的影響，在二維材料、納米材料和MOF等先進(jìn)材料研究領(lǐng)域?qū)⒂蟹浅V泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：
1. Scanning transmission electron microscopy: A review of high angle annular dark field and annular bright field imaging and applications in lithium-ion batteries. Chin. Phys. B, 2018, 066107
2.http://www.guinnessworldrecords.com/world-records/highest-resolution-microscope
3.http://news.cornell.edu/stories/2018/07/guinness-world-record-micro-view-hidden-worlds
4.https://en.wikipedia.org/wiki/Ptychography#cite_note-Hoppe_1969-1
5. X-ray ptychography. Nat. Photonics, 2017, 12, 9-17, DOI: 10.1038/s41566-017-0072-5
6. Electron ptychographic microscopy for three-dimensional imaging. Nat. Commun., 2017, 8, 163, DOI: 10.1038/s41467-017-00150-1

來源：x-mol 網(wǎng)