倾斜耦合多层电子叠层成像术：突破深度分辨率极限，实现单掺杂原子可视化

在材料科学中，三维原子结构成像面临深度分辨率受限等难题。研究人员开展倾斜耦合多层电子叠层成像术（TCMEP）研究，使深度分辨率提升超三倍至亚纳米级，能清晰可视化单掺杂原子。该成果为材料研究提供有力工具，意义重大。

　　在材料科学的微观世界探索中，精准呈现材料内部原子的三维分布情况，一直是科学家们梦寐以求的目标。这就好比要绘制一幅原子级别的 “微观地图”，清晰地展示每个原子的位置和状态。然而，当前的技术手段在实现这一目标时遇到了重重阻碍。扫描透射电子显微镜（STEM）虽已在横向分辨率上取得突破，达到亚埃级，能够精细地分辨出原子在平面上的位置，但在深度分辨率方面却表现不佳。传统的单投影设置下，深度分辨率仅能达到 2 - 3 纳米，这使得科学家们在观察材料内部不同深度原子时，就像隔着一层 “模糊的玻璃”，无法清晰地看到原子的真实面貌。

而电子断层扫描技术，虽能实现三维原子分辨率，但它就像一个 “苛刻的巨人”，需要大量的投影数据、大角度的样品倾斜，并且视野有限，在实际应用中困难重重。在这样的背景下，为了突破这些技术瓶颈，清华大学等研究机构的研究人员开展了关于倾斜耦合多层电子叠层成像术（tilt - coupled multislice electron ptychography，TCMEP）的研究。他们通过巧妙地改进多层电子叠层成像术（MEP），成功地将深度分辨率提升了三倍以上，达到了亚纳米级，甚至有望逼近原子级别。这一成果发表在《Nature Communications》上，为材料科学研究带来了新的曙光。

研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。在样品制备方面，采用定制的脉冲激光沉积（PLD）系统生长薄膜样品，并通过聚焦离子束（FIB）仪器进行样品的减薄处理。在实验观测环节，利用配备了相关探测器的透射电子显微镜进行 4D - STEM 实验和 STEM - EELS 实验，获取关键数据。在数据处理阶段，通过特定的算法对多个 4D - STEM 数据集进行同步重建，从而实现对样品的三维成像分析。

研究结果主要通过以下几个方面呈现：

• 原理和重建过程：TCMEP 通过对样品进行小角度倾斜（远小于 1 弧度），采集多个 4D - STEM 数据集，然后同步重建共享的物体函数。从傅里叶空间角度来看，这种方法能够融合不同倾斜角度数据集的信息，扩大信息传递锥的半角，从而捕获更高空间频率的特征，提升深度分辨率。其重建算法采用并行迭代方式，通过不断优化物体和探针函数，最终得到能够反映样品原子势的相位信息。
• 单掺杂原子成像模拟：在对含有不同类型掺杂的 SrTiO₃晶体进行模拟成像时发现，随着倾斜角度的增加，单掺杂原子的可见度显著提高，深度模糊现象明显减轻。例如，在总照明剂量为 2.5×10⁶ e/?2 的条件下，4° 倾斜时对单 Sr 掺杂原子的成像效果明显优于 2° 倾斜。同时，研究还表明，在较低剂量下，TCMEP 依然能够有效提升成像质量，增强对掺杂原子的识别能力。通过对相位 - 深度曲线的分析，发现 TCMEP 在高剂量、4° 最大倾斜时，深度分辨率可提升 2 - 3 倍，接近原子分辨率（~0.45nm）；在低剂量下，提升效果更为显著，相比 MEP 提高约 4 倍（达到～0.62nm）。
• 深度分辨率达到亚纳米级：在对扭曲双层 SrTiO₃样品的实验中，TCMEP 展现出了卓越的深度分辨率。通过对比 MEP 和 TCMEP 重建的图像，可以明显看到在 TCMEP 的结果中，莫尔条纹在深度方向上的出现和消失更为迅速，在界面处的深度分辨率达到约 0.9nm，超过了色差极限（~1.4nm），且与模拟结果相符。
• 掺杂原子成像和三维晶格畸变观测：将 TCMEP 应用于 (Pr_xCa_{1 - x})₂Co₂O₅薄膜中 Pr 掺杂原子的成像研究。实验发现，Pr 原子优先占据 Ca2 位点，通过 TCMEP 能够清晰地区分 Ca1 和 Ca2 位点的差异，并且可以在同一原子列中检测到多个掺杂原子。同时，TCMEP 还能够分辨出相邻约 4nm 深度的两个峰，而 MEP 则无法做到。通过对晶格畸变的分析，发现 Pr 掺杂附近的原子位移较大，平均在 5 - 10pm 之间，且一般远离 Pr 掺杂原子，这可能与 Co - O 键长的改变以及 Pr^{3 +}和 Ca^{2 +}离子半径不匹配有关。

在研究结论和讨论部分，TCMEP 技术的优势得到了充分体现。它不仅显著提升了深度分辨率，使单掺杂原子的可视化效果大幅增强，为研究材料中原子缺陷的分布提供了强大的工具，还有助于深入理解各种材料的物理性质，从半导体器件到高温超导体等领域都将受益。此外，虽然 TCMEP 在小角度倾斜的近似假设下存在一定限制，但研究表明在最大 10° 倾斜角时，重建依然可行且可靠，深度分辨率超过 3?。而且，TCMEP 数据采集和处理过程相对简化，降低了实验复杂度和工作量，同时对轻原子也具有较高的灵敏度。随着技术的进一步发展，TCMEP 有望实现真正的三维原子分辨率，为材料科学研究打开新的大门，推动相关领域的快速发展。