大家好，這里是老上光顯微鏡知識課堂，在這里你可以學(xué)到所有關(guān)于顯微鏡知識，好的，請看下面文章： 最近發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究為顯微圖像的分辨率創(chuàng)下了吉尼斯世界紀錄，達到0.04納米，大約是普通原子-原子鍵長度的三分之一到五分之一，并且只有毛絲直徑的四分之一（相當于長度和螞蟻珠)穆朗瑪峰高的比率。這種高分辨率是如何產(chǎn)生的它如何影響我們對復(fù)雜微觀物質(zhì)世界的理解陳振和蔣怡是這項工作的主要參與者。他們將討論世界紀錄的誕生以及該方法的應(yīng)用和發(fā)展前景。
    
     圖像的分辨率直接決定了我們對世界認識的深度。例如，近視不能看到遠方事物的許多細節(jié)。在人類對微觀世界的理解過程中，顯微鏡分辨率的提高往往會使我們的VI發(fā)生革命性的變化。然而，在材料研究中廣泛應(yīng)用的電子顯微鏡（EM）還遠未達到理想的成像效果，更好是40倍以上。在廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)水解和其他生物大分子的低溫電子顯微鏡（CEM）領(lǐng)域，生物顯微鏡的分辨率。由于電子束很容易被破壞，因此Cules更加不同，因此提高電子顯微鏡的分辨率一直是科學(xué)家們的目標。
    
     眾所周知，光學(xué)顯微鏡是通過光學(xué)透鏡聚焦可見光來成像樣品的。由于可見光的波長較長，分辨率只有幾百納米。通常被認為是粒子的帽子電子可以被認為是一種波，因此電子可以類似于用于成像的可見光。1933年，歐內(nèi)斯特·拉斯卡發(fā)明了臺電子顯微鏡，并獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎。
    
     電子顯微鏡有很多種，經(jīng)常用來研究原子結(jié)構(gòu)圖像。我們最新的研究是使用透射電子顯微鏡。這種電子顯微鏡通常使用高能電子，電子的速度達到光速的一半。成像原理是當電子通過材料時，由于散射效應(yīng)，電子的路徑和分布會發(fā)生變化。通過檢測電子在材料中的分布，可以得到材料的顯微結(jié)構(gòu)圖像，經(jīng)過近90年的發(fā)展，TEM已經(jīng)成為一個集成了各種電子器件和探測器，并可以獲得信息的非常先進的實驗平臺。各種材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。
    
     因為分辨率極限取決于波長，電子的波長遠小于可見光的波長，所以在電子顯微鏡發(fā)明后不久，分辨率就超過了更好的光學(xué)顯微鏡。N顯微鏡得到了迅速的發(fā)展，70年代和80年代，實現(xiàn)了對單個原子的直接觀測。
    
     然而，電磁透鏡對電子的聚焦是不完美的，并且存在較大的像差(成像系統(tǒng)獲得的圖像相對于原始物體的畸變和模糊)，并且電子顯微鏡的分辨率遠低于波長確定的極限。
    
     早在1948年，就有了校正電磁透鏡像差的理論設(shè)計，但是直到1996年，由于計算機控制技術(shù)的巨大進步和sta的顯著改進，才真正制造了球面像差校正器。此后，球面像差校正技術(shù)發(fā)展迅速，電子顯微鏡的分辨率也迅速提高。近十年來，球面像差校正的分辨率從0.2 nm迅速提高到0.05 nm。
    
     然而，2008年分辨率略優(yōu)于0.05納米的10年后，電子顯微鏡的分辨率僅略有提高，很難進一步提高分辨率。設(shè)計一種新型的復(fù)雜透鏡系統(tǒng)是十分必要的。它還要求非常穩(wěn)定的電磁信號和環(huán)境系統(tǒng)，甚至需要擔(dān)心量子干擾。
    
     不可否認，0.05納米比正常的原子-原子間距（0.1-0.2納米）小得多，并且當前的分辨率足以解決材料的許多結(jié)構(gòu)問題。然而，這種分辨率水平不能在所有的材料系統(tǒng)中實現(xiàn)。首先，這種分辨率必須用高能電子進行成像，許多材料不能承受這種高能電子，以便在被電子束破壞之前獲得結(jié)構(gòu)信息。硼酸鹽。
    
     早在1969年，Hopper和W.就提出了另一種基于衍射的成像理論，在材料中，由于干涉效應(yīng)，由衍射盤的重疊引起的強度變化包含了材料結(jié)構(gòu)的相位信息。因此，通過某種數(shù)學(xué)方法可以從衍射圖案中得到真實的空間結(jié)構(gòu)，這種方法是我們最近研究中使用的方法ptychog.（光刻術(shù)）的起源，它來源于希臘的折疊，因此在這里被翻譯為級聯(lián)衍射成像。
    
     級聯(lián)衍射成像技術(shù)的更大優(yōu)點是，在理想情況下，它不需要使用電磁透鏡進行成像，因此也被稱為無透鏡成像技術(shù)(現(xiàn)有的數(shù)學(xué)處理方法并不完善，仍然需要更好的物理透鏡)。該方法也為突破成像透鏡像差的分辨率限制提供了一種非常有效的方法。然而，由于成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及二維表面檢測相機的讀出速度和動態(tài)范圍的限制，該技術(shù)尚未在電子學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注。RON顯微鏡檢查。
    
     該技術(shù)的實驗裝置如下圖所示。通過移動電子束掃描樣品，記錄從不同位置獲得的衍射圖案，得到包含位置和動量信息的四維數(shù)據(jù)。檢測相機需要很大的動態(tài)范圍和很高的靈敏度，并且需要在原子尺度上保持穩(wěn)定性，因此也需要相機足夠快的讀取速度，同時滿足這些條件的相機。在技術(shù)上很難實現(xiàn)。
    
     十多年前，David Muller教授和康奈爾大學(xué)Sol Gruner教授合作，在二維表面檢測相機的發(fā)展衍射成像。
    
     最初，臺相機直接使用芯片進行X射線檢測，只實現(xiàn)了快速讀取速度和高靈敏度，不僅沒有達到高動態(tài)范圍，甚至不能承受高能電子束的照射，而且被電子束快速破壞，可以不繼續(xù)工作。
    
     為了打破這一局面，新一代電子顯微鏡像素陣列(EMPAD)相機在設(shè)計上進行了改進，并在2015年正式安裝在電子顯微鏡上。在靈敏度上，每秒讀取1100幀，非常適合于掃描衍射成像。在最初的應(yīng)用中，David Muller的團隊使用相機，使用納米束衍射技術(shù)，實現(xiàn)了二維材料的超高精度應(yīng)變測量。釹鐵電極化成像
    
     由于相機的動態(tài)響應(yīng)范圍可達100萬電子，因此利用疊加衍射成像技術(shù)可以提高相機的分辨率，然而，提高分辨率，特別是打破現(xiàn)有電子顯微鏡的更高分辨率，仍然是可能的。不容易。在接近百分之一納米的尺度上，非常小的擾動會完全破壞成像系統(tǒng)的分辨率。照相機還有改進的空間。首先，相機通常以每秒500-1000幀的速度工作，仍然比通常的點探測器（例如，環(huán)形暗場相機）慢1000倍。較低的采樣速度將導(dǎo)致較大的采樣漂移和輻射損傷。ked衍射成像算法要求盡可能地知道實驗參數(shù)，不要求有明顯的樣品漂移和掃描噪聲。找到合適的樣本來校準更高的分辨率。
    
     因此，我們需要花費大量的時間和精力來優(yōu)化實驗條件，校準實驗參數(shù)，找到合適的樣本，并解決算法中的各種參數(shù)設(shè)置。最后，我們選擇單層二硫化鉬來校準分辨率。在衍射頻率空間中，選擇一個具有小旋轉(zhuǎn)角度的二硫化鉬雙層來顯示真實空間中的分辨率，事實上，在光譜空間中已經(jīng)表明，該方法和實驗數(shù)據(jù)已經(jīng)達到超高分辨率，然而，在EL領(lǐng)域中。ECCT顯微術(shù)更能令人信服地分辨真實空間圖像中原子間的短距離，在旋轉(zhuǎn)面上投影的二硫化二硫化鉬提供了一個連續(xù)的投影原子間距從0到0.2納米。兩個原子對某些原子位錯的發(fā)生，因此非常適合于標定分辨率，經(jīng)過大量實驗和數(shù)據(jù)分析，最終獲得了0.04納米分辨率的新世界記錄。
    
     該工作獲得更高分辨率的圖像，該材料為具有小旋轉(zhuǎn)角度的雙層二硫化鉬。中間圖形是一個實驗圖，由結(jié)構(gòu)模型包圍。
    
     該書出版后，引起了很大的反響。自然雜志邀請了該領(lǐng)域的先驅(qū)者之一羅登堡撰寫一篇關(guān)于《破紀錄顯微鏡》的評論。一些主流的科學(xué)研究評論網(wǎng)站都發(fā)表了評論。例如，《化學(xué)世界》出版物。對以前所未有的高分辨率捕獲的二維材料發(fā)表了評論。康奈爾大學(xué)網(wǎng)站上刊登了電子顯微鏡檢測器的重印結(jié)果。吉尼斯世界紀錄還包括最新的分辨率世界紀錄。
    
     在《自然》雜志的一篇綜述中，羅登堡說，這項工作是證實疊加衍射成像可以超越更好的物理成像透鏡，創(chuàng)造新的分辨率世界紀錄。這種高分辨率，以及低能量和低劑量電子成像的使用，具有重大意義。對于脆性材料易受電子束損傷的結(jié)構(gòu)表征。
    
     我們的研究工作證明了級聯(lián)衍射成像技術(shù)的可行性和潛力，并真正推動了該方法的實用化，相信該方法將很快廣泛地用于解決許多類型的材料，如二維氈的微觀結(jié)構(gòu)問題。目前，三維重建算法發(fā)展迅速，再加上這種方法的高分辨率和相位對比度，也為三維全息結(jié)構(gòu)的重建提供了可行性。初步研究表明，該方法有望趕上甚至超過目前低溫電子顯微鏡的單粒子成像技術(shù)，并可能對生物大分子結(jié)構(gòu)的測定產(chǎn)生革命性的影響。預(yù)計將有助于解決多年來困擾生物和醫(yī)學(xué)的疾病，如癌癥。
    
     級聯(lián)衍射成像技術(shù)從最初的引入到實際應(yīng)用已經(jīng)持續(xù)了70年，甚至在90年代有了明確的實施方案之后，也經(jīng)歷了近30年的發(fā)展。真令人欽佩。在20世紀90年代，不可能想象電子計算機能發(fā)展到這種程度，并且不可能預(yù)見到電子顯微鏡和檢測照相機能滿足這種方法的要求。
    
     事實上，在學(xué)術(shù)研究中也有這樣的例子和研究者。發(fā)明或開發(fā)一種有用的工具或方法有時可能比使用現(xiàn)有的工具或方法解決實際問題更有價值。當然，開發(fā)工具或方法可能比使用現(xiàn)有的工具或方法更困難。因此，科研評價不僅要著眼于解決實際問題，還要鼓勵開發(fā)新的方法和工具。
    
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