近日，清华年夜学质料学院在荣团队提出并实现了局域轨道叠层成像要领，将显微成像的信息极限推进到了14 pm（0.14 ?）。

清楚的原子世界不仅于物理、化学、生命等科学上使人好奇，同时也是质料、芯片、能源等高技术生长的基础。以高能电子作为光源的电子显微镜是高分辩成像的重要平台。本世纪初，像差校订电镜将分辩率带到了亚埃尺度。最近几年来，作为扫描衍射成像的叠层成像要领又实现了深亚埃分辩。叠层成像（Ptychography）是基在4D-STEM（four-dimensional scanning transmission electron microscopy）数据集的相关衍射成像技术。于配备单电子敏感的像素化探测器的电子显微镜上，经由历程叠层成像技术可实现深亚埃（ 0.5 ?）分辩成像，成为物资微不雅结构分析的前沿。然而，传统的叠层成像要领用二维像素矩阵体现电子束及物函数，其实不合适离散的原子世界，限定了分辩率的进一步提高。

图1.局域轨道叠层成像要领示用意。(a) 会聚电子束于每一个扫描位置与样品相互作用孕育发生衍射图；(b) 最低的12阶像差系数的实部；(c) SrTiO3于[001]带轴的模仿相位；(d) 用像差函数重构的电子束振幅。(e) 用局域轨道叠层重构的样品相位。

在荣团队提出了一种新的叠层成像要领，用空间局域的类原子轨道函数来描写物体，用像差函数来描写电子束，从而充实使用原子世界的离散特性，显著提高了显微成像的分辩率及精度。局域轨道叠层成像要领不仅实现了破纪录的显微成像分辩率，到达14 pm（0.14 ?），另有具备更高的电子剂量效率及信噪比，于低剂量成像前提下也能实现深亚埃分辩，将于金属、陶瓷、芯片及敏感物资的原子分辩率成像中获得广泛运用。

图2.经由历程局域轨道叠层成像要领实现14 pm分辩率。左栏是局域轨道叠层重构的电子束振幅、样品相位和其衍射图，右栏对于应传统像素化叠层的重构结果。

图3.传统像素化叠层（CPP）与局域轨道叠层（LOP）的剂量效率。(a) LOP的电子束振幅，(b) CPP的电子束振幅，(c) LOP的样品相位，(d) CPP的样品相位，(e) 电子束振幅的信噪比，(f) 样品相位的信噪比。

此外，研究另有展现了差异原子对于显微成像信息极限的影响。因为物体是由离散的原子组成的，局域轨道叠层的重构结果可以利便地划分到差异原子。因为傅里叶变换是一个线性变换，总衍射图也能够划分到各个元素的自力衍射图。结果注解，信息极限与元素种类有关。金属原子（Dy及Sc）体现出比氧原子更高的信息极限。

图4.固体中差异元素的相位图和对于应的衍射图。(a) Dy, (b) Sc, (c) O1, (d) O2的相位图和对于应的衍射图(e-f)。

这类差异可以归结为三个因素。第一，重原子将入射电子散射到更高的空间频率。这些较高的空间频率有助在于重构历程中提取更多的结构信息，从而获得更高的信息限定。第二，DyScO3中Dy、Sc、O1及O2的德拜-瓦勒因子划分为0.58 ?二、0.60 ?二、0.79 ?2及0.92 ?2，注解氧的热漫散射年夜在Dy及Sc，这使患上Dy及Sc原子的热展宽较小，信息极限更高。第三，O1原子柱于电子束流传标的目的上的原子密度是O2原子柱的一半，致使O1原子柱的散射更弱，是以信息极限更低。

相干研究结果以“用在超高分辩成像的局域轨道叠层成像”（Local-orbital ptychography for ultrahigh-resolution imaging）为题，在2024年1月29日于线发表在《天然纳米技术》（Nature Nanotechnology）。清华年夜学质料学院2021级直博生杨文峰及2018级直博生沙浩治为论文配合第一作者，2019亚洲必赢24小时客服-级直博生崔吉哲及毛梁泽为相助作者，在荣教授为通信作者。该论文获得国家天然科学基金基础科学中央项目的撑持，也获得超分辩科技的技术撑持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01595-w

接洽方式（可直接点击跳转）

行政：010-62792520

招生：010-62783256

科研相助：010-62783850

就业与校友：010-62772621

传真号：62771160