氦冷低温STEM成像与叠层衍射成像用于低温相原子尺度研究

《Microscopy and Microanalysis》：Helium-Cooled Cryogenic STEM Imaging and Ptychography for Atomic-Scale Study of Low-Temperature Phases

　　

量子材料中备受关注的许多奇异功能性源于只能在低温下访问的结构和电子基态。因此，理解器件运行需要在功能相存在的相同低温条件下进行结构表征，因为室温测量通常探测到的是不同的结构状态。在液氦温度下实现扫描透射电子显微镜成像，特别是4D-STEM电子叠层衍射成像的原子分辨率，仍然极具挑战性，因为即使与低温介质相关的少量漂移、振动和热不稳定性也可能破坏原子分辨率STEM的严格要求。在本工作中，研究人员使用商用氦冷样品杆，在低至20 K的温度下展示了原子分辨率STEM和多层电子叠层衍射成像。他们发现，快速扫描和多阶段配准工作流对于减少与低温不稳定性相关的伪影至关重要，从而实现原子分辨率成像；而对于叠层衍射成像，扫描位置校正（包括补偿探针像差与位置精修之间的耦合）对于成功重建是必要的。这些结果共同为低温下可靠的原子分辨率STEM和叠层衍射成像建立了途径，使得能够直接可视化与量子技术相关的结构基态。

量子材料的奇异功能往往源于仅在低温下出现的结构基态与电子基态，因此对这些功能相的结构表征必须在与其存在的相同低温条件下进行；室温测量通常探测的是不同的结构状态。然而，在液氦温度下实现原子分辨率的扫描透射电子显微镜（STEM）成像及4D-STEM电子叠层衍射成像极为困难，因为低温介质引起的任何微小漂移、振动和热不稳定性都会破坏原子分辨率STEM对稳定性的严格要求。本研究利用商用氦冷侧入式样品杆，在低至约20 K的样品温度下实现了稳定的原子分辨率STEM成像和多层电子叠层衍射成像（multislice electron ptychography, MEP），研究对象包括外延应变SrTiO₃/(110)GdScO₃薄膜和多铁性R3c相Fe-I硼酸盐（Fe₃B₇O₁₃I）。研究人员系统分析了液氦条件下热漂移与机械振动的特性：快慢不稳定性分别表现为帧间平移和帧内畸变；针对这些问题，采用快速序列采集与多级配准工作流（刚性配准加非刚性配准）有效抑制了原子尺度成像伪影。对于叠层衍射，由于4D-STEM扫描速度远低于常规积分探测器成像，必须依赖叠层衍射算法自洽的扫描位置校正来恢复畸变的扫描栅格；进一步地，研究人员发现小尺寸、低信噪比的液氦数据集在重建时会出现探针像差与扫描几何之间的耦合，导致重建结果出现剪切伪影，因此需要通过参数化优化一阶探针像差（包括离焦C₁₀和两级像散C₁₂）来消除该耦合，从而获得高质量重建。这项工作证明了在液氦温度下进行原子分辨率结构表征和叠层衍射成像的可行性，为直接研究量子材料中的低温基态提供了关键技术路径，相关成果发表于《Microscopy and Microanalysis》。

研究背景方面，量子材料中许多重要电子、铁序和自旋驱动相变只能通过低温才能进入，为理解器件工作原理，必须在功能相存在的低温条件下获得结构信息。传统液氮侧入式样品杆最低只能达到约100 K，难以覆盖许多感兴趣的物理转变；液氦冷却虽可达到更低温度，但机械振动、热漂移和低温介质流动带来的不稳定性严重限制原子分辨率STEM和叠层衍射的实现。尽管已有少数工作通过缩短采集窗口或牺牲温度控制获取液氦下原子尺度图像，但尚缺乏可广泛适用的成像与后处理方法。本研究正是针对这一瓶颈，提出了一套结合硬件优化、快速采集、精细配准和叠层衍射扫描校正的完整工作流，并成功在低于30 K的条件下实现了原子级成像与多层叠层衍射重建。

本研究采用的主要技术与方法包括：使用具备液氦外部杜瓦和减振波纹管的商用侧入式低温样品杆，实现稳定的温度控制与低漂移；在300 kV像差校正STEM上以约0.14 s的高速串行扫描采集原子分辨率的环形暗场（ADF）和明场（BF）图像；使用EMPAD像素化探测器采集64×64扫描点的4D-STEM数据集用于多层叠层衍射重建；图像处理方面采用基于传递性约束的刚性配准算法与基于扫描线的非刚性配准算法；叠层衍射重建中则利用贝叶斯优化确定全局仿射变换，再通过迭代优化逐点校正扫描位置，并将一阶探针像差参数化以补偿探针与物体的耦合。样品方面，通过聚焦离子束制备了外延SrTiO₃/GdScO₃截面和Fe₃B₇O₁₃I单晶截面，没有其他样本队列。

研究结果部分围绕两个原子尺度成像体系展开。在“低温不稳定性对STEM成像的影响及快速扫描策略”方面，研究发现液氦条件下机械扰动和残余温度波动表现为亚纳米级各向同性抖动，而沿样品杆方向的热胀冷缩产生大幅单向漂移；当扰动频率与扫描行频和帧频相近时，单帧内会产生复杂畸变，尤其在慢扫描方向上表现明显。通过对SrTiO₃/GdScO₃界面和Fe₃B₇O₁₃I的成像实验，研究人员发现单次快速扫描仍含有明显剪切和波浪状晶格畸变，其傅里叶变换中出现沿慢扫描方向的条纹和噪声峰。

在“刚性配准与非刚性配准的适用性与风险”方面，研究人员对122张快速扫描图像进行刚性配准，采用成对互相关和传递性约束精修偏移量，并对高噪声、强畸变数据采用两轮傅里叶滤波提高偏移测量精度；结果显示刚性配准平均后的图像已能显著抑制大部分畸变，并实现亚埃信息传递。在此基础上进行非刚性配准可进一步锐化原子柱和提高信息传递，但研究人员强调非刚性配准缺乏物理一致性校验，不当使用会引入严重伪影，甚至出现看似成功但实际完全错误的结果，因此必须以确保正确的刚性配准为前提。

在“液氦温度下的多层叠层衍射成像”方面，研究人员采集了Fe₃B₇O₁₃I在约20 K下的64×64点4D-STEM数据，虚拟明场图像显示出明显热漂移剪切和扫描线撕裂。通过贝叶斯优化获得全局仿射变换，再在重建过程中逐点细化扫描位置，成功校正了大部分扫描畸变。然而初始重建仍呈现剪切形变，进一步分析表明，故意施加的离焦与低温条件下难以完全校正的两级像散共同作用，使电子束阴影图产生类似剪切的重叠图案，并干扰了仅以离焦作为初始探针的重建收敛。将探针参数化包含离焦和像散后，重建误差显著下降，最终获得无剪切的高质量重建，所恢复的物体相位对硼和氧亚晶格具有明显灵敏度，优于常规成像模式。

讨论部分指出，液氦低温实验虽然可行，但仍受到稳定性窗口狭窄、可成功重建的扫描规模有限等限制。未来改进方向包括更高亮度的电子源、更快的像素化探测器、更先进的扫描控制策略以及集成电学接口的MEMS低温样品台。同时，鲁棒且可验证的图像配准和叠层衍射后处理工具仍是关键瓶颈。研究结论部分是：本工作确立了在液氦温度下实现原子分辨率STEM成像和多层叠层衍射成像的工作流和关键考量，证明使用商用侧入式样品杆可在约20 K下获得高分辨率图像，并通过快速序列采集和严格验证的配准恢复目标结构特征；多层叠层衍射成像则依赖自洽扫描位置校正和低阶探针像差的显式建模。将高分辨率实空间结构表征扩展到液氦温度，为直接探测强相关氧化物和多铁材料等体系中低温基态提供了新机会，对理解量子材料基本物理和指导下一代信息技术设计具有重要意义。