大家好，這里是老上光顯微鏡知識(shí)課堂，在這里你可以學(xué)到所有關(guān)于顯微鏡知識(shí)，好的，請(qǐng)看下面文章： 最近發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究為顯微圖像的分辨率創(chuàng)下了吉尼斯世界紀(jì)錄，達(dá)到0.04納米，大約是普通原子-原子鍵長(zhǎng)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(dāng)于長(zhǎng)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(duì)復(fù)雜微觀物質(zhì)世界的理解陳振和蔣怡是這項(xiàng)工作的主要參與者。他們將討論世界紀(jì)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(duì)世界認(rèn)識(shí)的深度。例如，近視不能看到遠(yuǎn)方事物的許多細(xì)節(jié)。在人類對(duì)微觀世界的理解過(guò)程中，顯微鏡分辨率的提高往往會(huì)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(yuǎn)未達(dá)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(biāo)。
    
     眾所周知，光學(xué)顯微鏡是通過(guò)光學(xué)透鏡聚焦可見(jiàn)光來(lái)成像樣品的。由于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，分辨率只有幾百納米。通常被認(rèn)為是粒子的帽子電子可以被認(rèn)為是一種波，因此電子可以類似于用于成像的可見(jiàn)光。1933年，歐內(nèi)斯特·拉斯卡發(fā)明了臺(tái)電子顯微鏡，并獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
    
     電子顯微鏡有很多種，經(jīng)常用來(lái)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(dá)到光速的一半。成像原理是當(dāng)電子通過(guò)材料時(shí)，由于散射效應(yīng)，電子的路徑和分布會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)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(guò)近90年的發(fā)展，TEM已經(jīng)成為一個(gè)集成了各種電子器件和探測(cè)器，并可以獲得信息的非常先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。各種材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。
    
     因?yàn)榉直媛蕵O限取決于波長(zhǎng)，電子的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)，所以在電子顯微鏡發(fā)明后不久，分辨率就超過(guò)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(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)原子的直接觀測(cè)。
    
     然而，電磁透鏡對(duì)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(duì)于原始物體的畸變和模糊)，并且電子顯微鏡的分辨率遠(yuǎn)低于波長(zhǎng)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(jì)，但是直到1996年，由于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的巨大進(jìn)步和sta的顯著改進(jìn)，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(lái)，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(jìn)一步提高分辨率。設(shè)計(jì)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(hào)和環(huán)境系統(tǒng)，甚至需要擔(dān)心量子干擾。
    
     不可否認(rèn)，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(dāng)前的分辨率足以解決材料的許多結(jié)構(gòu)問(wèn)題。然而，這種分辨率水平不能在所有的材料系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。首先，這種分辨率必須用高能電子進(jìn)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(qiáng)度變化包含了材料結(jié)構(gòu)的相位信息。因此，通過(guò)某種數(shù)學(xué)方法可以從衍射圖案中得到真實(shí)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(lái)源于希臘的折疊，因此在這里被翻譯為級(jí)聯(lián)衍射成像。
    
     級(jí)聯(lián)衍射成像技術(shù)的更大優(yōu)點(diǎn)是，在理想情況下，它不需要使用電磁透鏡進(jìn)行成像，因此也被稱為無(wú)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(cè)相機(jī)的讀出速度和動(dòng)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(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示。通過(guò)移動(dòng)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(dòng)量信息的四維數(shù)據(jù)。檢測(cè)相機(jī)需要很大的動(dòng)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(jī)足夠快的讀取速度，同時(shí)滿足這些條件的相機(jī)。在技術(shù)上很難實(shí)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(cè)相機(jī)的發(fā)展衍射成像。
    
     最初，臺(tái)相機(jī)直接使用芯片進(jìn)行X射線檢測(cè)，只實(shí)現(xiàn)了快速讀取速度和高靈敏度，不僅沒(méi)有達(dá)到高動(dòng)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(jī)在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了改進(jìn)，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(tuán)隊(duì)使用相機(jī)，使用納米束衍射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了二維材料的超高精度應(yīng)變測(cè)量。釹鐵電極化成像
    
     由于相機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍可達(dá)100萬(wàn)電子，因此利用疊加衍射成像技術(shù)可以提高相機(jī)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(dòng)會(huì)完全破壞成像系統(tǒng)的分辨率。照相機(jī)還有改進(jìn)的空間。首先，相機(jī)通常以每秒500-1000幀的速度工作，仍然比通常的點(diǎn)探測(cè)器（例如，環(huán)形暗場(chǎng)相機(jī)）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(shí)驗(yàn)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(lái)校準(zhǔn)更高的分辨率。
    
     因此，我們需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力來(lái)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(lái)校準(zhǔn)分辨率。在衍射頻率空間中，選擇一個(gè)具有小旋轉(zhuǎn)角度的二硫化鉬雙層來(lái)顯示真實(shí)空間中的分辨率，事實(shí)上，在光譜空間中已經(jīng)表明，該方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)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(shí)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(gè)連續(xù)的投影原子間距從0到0.2納米。兩個(gè)原子對(duì)某些原子位錯(cuò)的發(fā)生，因此非常適合于標(biāo)定分辨率，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(qǐng)了該領(lǐng)域的先驅(qū)者之一羅登堡撰寫一篇關(guān)于《破紀(jì)錄顯微鏡》的評(píng)論。一些主流的科學(xué)研究評(píng)論網(wǎng)站都發(fā)表了評(píng)論。例如，《化學(xué)世界》出版物。對(duì)以前所未有的高分辨率捕獲的二維材料發(fā)表了評(píng)論。康奈爾大學(xué)網(wǎng)站上刊登了電子顯微鏡檢測(cè)器的重印結(jié)果。吉尼斯世界紀(jì)錄還包括最新的分辨率世界紀(jì)錄。
    
     在《自然》雜志的一篇綜述中，羅登堡說(shuō)，這項(xiàng)工作是證實(shí)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(jì)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(duì)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(jí)聯(lián)衍射成像技術(shù)的可行性和潛力，并真正推動(dòng)了該方法的實(shí)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(wèn)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(duì)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(guò)目前低溫電子顯微鏡的單粒子成像技術(shù)，并可能對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定產(chǎn)生革命性的影響。預(yù)計(jì)將有助于解決多年來(lái)困擾生物和醫(yī)學(xué)的疾病，如癌癥。
    
     級(jí)聯(lián)衍射成像技術(shù)從最初的引入到實(shí)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(shí)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(jì)90年代，不可能想象電子計(jì)算機(jī)能發(fā)展到這種程度，并且不可能預(yù)見(jiàn)到電子顯微鏡和檢測(cè)照相機(jī)能滿足這種方法的要求。
    
     事實(shí)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(kāi)發(fā)一種有用的工具或方法有時(shí)可能比使用現(xiàn)有的工具或方法解決實(shí)際問(wèn)題更有價(jià)值。當(dāng)然，開(kāi)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(píng)價(jià)不僅要著眼于解決實(shí)際問(wèn)題，還要鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)新的方法和工具。
    
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