【IOP专栏】多模式硬X射线显微成像：超高分辨率（近10 纳米）和其在材料科学研究中的应用

【引言】

硬X射线因其良好的穿透性，对元素，化学价态和晶体结构的高敏感性，广泛用于材料物理化学特性的表征和测量。特别对与扫描显微成像，并行多模式的成像方式使得不同的信息的空间分布可以同时获得，因此在很多科学领域具有极大的应用需求。 由于聚焦硬X射线非常困难， 提高其空间分辨率一直是一个巨大的挑战。特别是到10 纳米量级，基本接近现有光学器件的衍射极限。

【成果简介】

近日，美国布鲁克海文国家实验室国家先进光源II（NSLS-II）的严函斐博士（第一作者，通讯作者）及同事，康涅狄格大学Wilson Chiu教授以及克莱门大学Kyle Brinkman教授合作，报道了利用一种特殊的多层膜劳埃镜（MLL）聚焦硬X射线接近衍射极限，并用不同的方法确认了近10纳米的扫描成像分辨率。采用重叠关联衍射成像中的迭代相位恢复算法（ptychography），分辨率可以进一步提高到10纳米以下。利用纳米小光斑和光栅扫描，这个小组研究了一种离子电子混合导电膜（广泛应用于燃料电池和气体分离技术）并得到了这种材料的在极高分辨率上的荧光，吸收，微分相位和相位图。前者给出元素分布，后三者给出电子密度，结构和形貌分布。在纳米尺度上，观察到了一个新生成的材料相。这是硬X射线扫描显微学在近10纳米分辨率上的第一个科学应用，并宣告进入10纳米时代。相关成果以题为“Multimodal hard x-ray imaging with resolution approaching 10nm for studies in material science” 发表于IOP顶级期刊Nano Futures上。

【图文导图】

图1  硬X位于美国布鲁克海文国家实验室国家先进光源II的硬X射线扫描站（HXN）示意图

NSLS-II是美国近年建造的第三代同步辐射光源，以提供高空间分辨率和高能量分辨率的巨大需求。其中HXN提供世界领先的空间分辨能力。整个束线可以认为是一个120米长的超级X射线扫描显微镜。X射线被多层膜劳埃镜聚焦到一个纳米小光斑后照射到样品上，做二维光栅扫描和旋转（断层成像）。环绕样品的多类型探测仪可同时采集荧光，布拉格衍射和透射信号以达到多模式成像（元素分布，化学价态，结构，形貌和晶体应变变化等等）。

图2 通过扫描金纳米颗粒阵列来展示分辨率

直接荧光扫描成像可以清晰的看到50纳米大小的方块金颗粒。对于同时获得的透射数据采用重叠关联衍射成像中的迭代相位恢复算法，我们可以得到纳米探针在样品位置的波前分布信息（b）和样品对于这个能量上的透射函数（c）。通过这个个方法我们可以得到比光斑更小的分辨率（超分辨）。纳米颗粒最小间隔10纳米，可以在（c）图中被清晰的分辨。（d）是根据（b）算出的调制传递函数。以3为界，显示出直接扫描分辨率在12.5 x 11.1 纳米.

图3 传统刀锋扫描和功率谱密度分析

（a）一个双线结构的电子扫描照片。（b）和（c）是其在两个方向上的传统的分辨率表征方法刀锋扫描。最佳拟合显示光斑大小为15.3 x 16.9 纳米。这种方法一般给出尺寸上限。（d）是另一个测试结构的扫描电镜照片，（e）是其X射线荧光图。可以看到两者分辨率已经很接近了。（f）显示（d）和（e）的功率谱密度分析，一种显示最高可探测频率的方法。由图可知可探测最小尺寸在10.5 x 10.8 纳米。图中比例尺为250 纳米。

图4 离子电子混合导电膜在极小尺度上的X射线荧光成像

（a）至（d）是离子电子混合导电膜（compound of Ce_0.8Gd_0.2O_2-x and CoFe₂O₄）不同元素的分布图。铂是利用聚焦粒子束准备样品时引入的杂质元素。（f）是假色图显示不同元素比列。除了先导相CGO和CFO，在他们的边界上形成一个新相GFCCO。比例尺大小为250纳米。

图5 同时获得的不同类型的透射成像图

（a）-（c）和（e）是在同一位置的一种基于非线性拟合的微分相位成像，具有快速和稳定的特点，但不具有超分辨（小于光斑大小）能力。其显示透射X射线的幅度，微分相位和相位图，反应材料的结构和电子密度变化。（d）和（f）是利用迭代相位恢复算法达到的幅度和相位的超分辨图，显示及微小的形貌变化。图4和图5中的所有信息是基于同一组数据得到的。

文献链接：Multimodal hard x-ray imaging with resolution approaching 10 nm for studies in material science (Nano Futures, 2018, 2 : 011001)

材料人与IOP出版社联合推出【IOP专栏】，报道IOP旗下期刊精彩研究进展。本文系【IOP专栏】第4篇。

Nano Futures是英国物理学会（Institute of Physics, UK）的旗舰刊，2017年创刊，发表纳米研究领域前瞻性的研究成果，一年四期，每期约八篇，大多数都是邀请稿，主编、编委和编辑团队来源于Nanotechnology。

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