随着科学技术的不断进步，电子显微镜作为一种强大的工具，被广泛用于观察微观世界的结构和性质。然而，长期以来，电子显微镜的空间分辨率一直受到磁透镜固有的像差的限制。像差是指光学系统在成像过程中产生的失真，它限制了显微镜观察样品的分辨率和清晰度。在过去的二十多年中，科学家们开发了像差校正技术，通过串联组合电磁元件来校正电子显微镜中的像差。这些技术使得透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）能够达到亚埃级的分辨率，从而成为理解材料原子结构、组成和键合的重要工具。尽管像差校正技术取得了显著进展，但它们也存在一些限制。首先，像差校正器是复杂且昂贵的仪器，需要高水平的专业知识来操作和维护，这限制了亚埃级尺度下显微镜的广泛应用。其次，尽管像差校正技术可以提高分辨率，但其成本和复杂性限制了其在实践中的普及。为了解决这一问题，近日美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Pinshane Y. Huang教授团队在Science顶刊发表题为“Achieving sub-0.5-angstrom–resolution ptychography in an uncorrected electron microscope”的研究论文。本研究旨在克服传统像差校正技术的限制，提供一种更简单、更经济但同样有效的替代方案。为此，科学家们利用了叠层衍射（ptychography）技术，该技术利用在不同探测位置收集的汇聚束衍射图案，并通过计算确定图像的部分。通过将数据收集范围扩展到具有大动量散射的电子，并考虑探测器的部分相干性，科学家们实现了更高的分辨率。具体地，研究团队在未经校正的扫描透射电子显微镜（STEM）中展示了对扭曲的二硒化钨双层样品的分辨率达到0.44埃的结果。他们还展示了几何像差如何创造出用于剂量高效的电子叠层衍射的优化结构光束。通过这些方法，研究团队证明了昂贵的像差校正器对于实现深度亚埃级分辨率已不再是必要的。
研究通过展示在未经校正的STEM中实现亚埃级分辨率，并在不同汇聚角度和不同像差类型下对其进行优化，为电子显微镜领域提供了全新的视角。这项研究不仅拓展了对相位衬度成像的理解，还为未来开发更高效、更简单的成像技术提供了重要的指导。通过将成像焦点从像差校正转向了相位衬度，本文为解决高分辨率成像的难题提供了新的思路和方法，为材料科学、生物学和纳米技术等领域的研究带来了巨大的潜力和启示。原文详情：Kayla X. Nguyen et al. ,Achieving sub-0.5-angstrom–resolution ptychography in an uncorrected electron microscope.Science383,865870(2024).DOI:10.1126/science.adl2029。
