20 keV扫描电镜实现亚埃分辨率叠层衍射成像技术突破

为解决高成本透射电镜在亚埃分辨率成像中的局限性，研究人员开展了基于20 keV低能扫描电镜的叠层衍射成像研究。通过发展衍射畸变校正算法与混合探测器系统，成功实现0.67 ?分辨率，创下分辨率-波长比7.8的新纪录。该技术为二维材料原子尺度表征和低分子量蛋白质结构解析提供了经济高效的解决方案。

　　

在结构生物学和材料科学领域，原子分辨率成像一直是科学家追求的目标。传统透射电子显微镜（TEM）虽然能够实现亚埃（<1 ?）分辨率，但需要配备像差校正器和高像素电子探测器的高能电子束（>30 keV），导致设备成本高昂、空间需求大且操作复杂。这种局限性使得许多实验室难以开展高分辨率电子显微研究。相比之下，低能（≤30 keV）扫描电子显微镜（SEM）具有结构紧凑、成本较低的优势，且低能电子束对轻元素薄样品能提供更强的信息对比度。然而，非像差校正SEM的分辨率通常局限在4 ?左右，难以满足原子尺度研究的需求。

为解决这一矛盾，维多利亚大学Arthur M. Blackburn团队在《Nature Communications》发表创新性研究，报道了在20 keV低能扫描电镜中通过叠层衍射成像技术实现0.67 ?分辨率的突破。这一成果不仅打破了传统电子显微镜的分辨率限制，更开创了低成本高分辨率电子显微技术的新途径。

关键技术方法包括：1）冷场发射电子枪提供高相干性电子束；2）混合型直接电子探测器优化低能电子检测；3）多切片叠层衍射重建算法结合衍射畸变校正；4）投影镜系统与浸没式物镜配置。研究使用金/非晶碳和金/二硫化钼样本，通过4D-STEM采集衍射数据。

金/非晶碳重建结果

研究人员首先在金/非晶碳样品上验证方法的有效性。通过多切片叠层衍射重建算法处理畸变校正后的衍射数据，获得了清晰的出射波重建图像。

重建图像显示出金颗粒中常见的n重孪晶特征，傅里叶变换显示{135}晶面对应的衍射环，间距为0.689 ?。通过傅里叶环相关分析确定分辨率为0.67 ?，这一数值比基于探针会聚半角的阿贝分辨率极限提高了8.9倍。

金/二硫化钼重建结果

为进一步验证方法的普适性，研究人员在二维过渡金属硫化物材料二硫化钼上进行了测试。该样品具有均匀的晶体结构和单一取向，对叠层衍射重建算法提出了更高要求。

重建结果显示了至少1.46 ?^-1的空间频率特征，对应二硫化钼{401}晶面族的0.683 ?间距。同时观察到1.60 ?^-1的额外峰，可能源于金岛的{533}晶面或金与二硫化钼之间的摩尔纹效应。与模拟结果的对比验证了重建的准确性。

衍射畸变校正创新

研究的关键突破在于开发了精确的衍射图案畸变校正方法。枕形畸变作为圆形磁透镜的主要像差，会导致高角散射衍射盘呈椭圆形而非圆形。传统校正方法在SEM中难以实施，因为其照明系统限制使得无法使用平行光照明。研究团队创新性地利用重建图像傅里叶变换与理想衍射轮廓的拟合，通过迭代优化确定畸变系数，实现了优于0.5%的径向间距匹配精度。

讨论与意义

该研究实现了非像差校正扫描电镜在20 keV低能条件下的亚埃分辨率成像，分辨率-波长比达到7.8，超越了先前高能电子束叠层衍射成像的记录。这一突破使得低成本SEM平台能够进行原子分辨率研究，显著提高了高分辨率电子显微技术的可及性。

技术优势体现在多个方面：低能电子束提高了轻元素样品的弹性散射截面，在足够薄的样品中可实现更优的信息系数；SEM样品室空间较大，便于进行原位实验；低能电子束对二维材料的损伤更小，适合长期观察。对于质量低于100 kDa的蛋白质，该方法结合低温电子显微术，有望解决这类丰富但难以表征的蛋白质结构解析难题。

然而，研究也指出当前方法在蛋白质成像中的应用仍需进一步发展。在低电子剂量条件下，暗场信号较弱，需要将叠层衍射与单颗粒分析方法结合，才能有效利用亮场盘限制之外的散射电子。

这项研究为二维材料器件研究和原位原子尺度表征提供了立即可用的解决方案，长远来看可能推动结构生物学中低分子量蛋白质研究的变革。通过将高端显微技术"民主化"，使得更多实验室能够开展高分辨率材料与生物样品研究，对促进科学研究的广泛参与和创新具有重要意义。