电子显微镜分辨率突破了世界纪录

▲两张二硫化钼（MoS2）的照片，一幅旋转了6.8度。单个原子的间距从原子键全长到完全重叠时的间距不等。来源：康奈尔大学

7月19日，美国康奈尔大学应用和工程物理系教授David Muller、John L. Wetherill，物理学教授Sol Gruner和Veit Elser合作在《自然》杂志上发表题为"Electron Ptychography of 2-D Materials to Deep Sub-Ångström Resolution"的文章。文章称，研究人员凭借电子显微镜（电镜）像素阵列检测器（EMPAD），使电镜达到了0.39Å的分辨率，刷新了世界记录。

电镜虽然能观测到单个原子，但即使在这个分辨率下，它也并不能把一切都看得清清楚楚。电镜的镜片具有称为像差的内在缺陷。为此人们开发了像差校正器，正如Muller所说，它就像“显微镜的眼镜”。而为了校正多个像差，需要一个不断扩展的校正元件收集器。这就像将眼镜戴在眼镜上一样笨拙。Muller等的工作成功地解决了这个问题。

电子波长比可见光的波长小许多倍，但电镜镜头并没有相应的分辨率。分辨率在很大程度上取决于镜头的数值孔径。数值孔径是“f数”的倒数：f数越小，分辨率越高。提高电镜分辨率的传统方法是增加透镜的数值孔径和电子束的能量。过去的分辨率记录是通过像差校正透镜和超高光束能量——300千电子伏特（keV）—— 来获得亚埃（Å, ångström ）分辨率的。原子键长通常在1-2Å之间，亚埃分辨率可以让人们轻松观测到单个原子。

研究小组使用了EMPAD和Ptychography技术来提高电镜的分辨率：当电子束扫描样品时，探测器在重叠步骤中收集散射电子的全位置和动量分布，然后根据得到的4维数据集来重建图像。最后达到了0.39Å的分辨率。为了保证样品结构完整性，他们使用了更低的光束能量（80 keV），这种情况下仅使用像差校正透镜就能达到0.98Å的分辨率。在这种分辨率下，样品中即便是一个硫原子的缺失都能检测到。 

由于分辨率小于最小原子键，因而需要为EMPAD方法提供一种新的测试对象。于是他们堆叠了两张MoS2照片，一张略微歪斜，这样两片原子的距离从完整的原子键长到重叠时的距离不等。

康奈尔大学校内的电镜已经进行了EMPAD改造，它们可以记录各种强度——从单个电子到包含数十万甚至一百万个电子的强光束。

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 编译：伊幻  审稿：西莫    编辑：张梦

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