王鹏教授课题组：在透射电子显微镜超高分辨衍射成像方法研究的系列进展

【成果简介】

南京大学量子材料中心，亚原子电镜实验室王鹏教授课题组在新型电子光学成像方法研究上取得系列进展。结合超高分辨叠层衍射成像（Ptychography）方法在电子显微镜上实现了二维原子结构像乃至三维成像，并在六硼化镧晶体和用多壁碳纳米管等纳米材料上验证了这一成像方法。

【图文导读】

图1 三维成像光路以及原理图

（a）三维成像光路以及原理图

（b）多壁碳纳米管的透射电镜图像

图2 重构相位图像

（a-b）在两根碳纳米管位置的重构相位图像

（d-f）对应位置的放大图像以及对应的频谱

【研究内容】

实际光学系统中（例如：透镜）存在各种像差（球差，彗差），会使最后的成像质量（变大、变形、变色）和分辨率下降。在透射电镜中，电子束依靠磁透镜进行会聚，但磁透镜通常具有固有像差，导致成像扭曲和分辨率下降，极大地约束了电镜的应用。一种改善分辨率的方法是使用像差校正器。近二十年来，像差校正器的研制和发展，使透射电镜的分辨率从0.2nm提升到0.05nm（或者更高），但是加装一台像差校正器的费用比较昂贵。另外一种方法则是使用“无透镜”的衍射重构计算机成像的方法，就是先采集电子束通过物体后在远场的衍射斑，再通过计算机迭代算法重构获得物体的像，但该方法要求对样品有先知条件，因此大大限制了其应用。叠层衍射成像（Ptychography）是在第二种方法的基础上，通过入射束在样品扫描，在每个扫描位置下记录二维衍射强度图案，从而构建出具有四维空间的衍射数据，然后再通过计算机的反复迭代的方法，重构出样品的高分辨像以及入射束斑的形状。由于对成像元件（如：透镜）的质量无要求，这一方法理论上能够达到波长限制的极限分辨率，对于通过加速电子成像的透射电镜来说，这一极限分辨率将是在皮米量级。

课题组基于叠层衍射成像（Ptychography）方法，重构出六硼化镧晶体的原子结构像。重构像中在重元素镧（原子序数为57）清楚解析出轻元素硼（原子序数为5）的原子位置。但是在传统的高角环形暗场像中，轻元素硼在重元素晶格中是无法观察到。因此，该成像方法具有对轻元素探测敏感的优势，可以广泛地应用于在晶体中轻元素原子的成像。该工作发表在”Electron Ptychographic Diffractive Imaging of Boron Atoms in LaB₆ Crystals”, Sci Rep 7, 2857 (2017). 第一作者和通讯作者是南京大学的王鹏教授，南方科技大学的张福才教授为共同通讯作者。