总结：本文详细介绍了叠层成像技术的技术原理（通过采集不同探针位置的会聚束衍射图样，结合计算重构消除像差影响）、在未校正扫描透射电镜（STEM）中的突破性应用（对扭转二硒化钨双分子层实现0.44埃超高分辨率成像，分辨率接近像差校正电镜水平），以及关键技术要点，还探讨了像差对探针结构的影响及剂量效率优化策略。
读者可学习到叠层成像术的核心工作机制，了解如何在无需复杂像差校正设备的情况下实现深亚埃分辨率成像，为材料科学领域开展原子级结构表征、降低高分辨率电镜应用门槛提供实用的技术参考与创新思路。
传统上，电镜的像差校正依赖于复杂昂贵的透镜光学系统，而叠层成像术则提供了一种创新的替代方案——通过在不同探针位置采集会聚束衍射图样，并运用计算方法重构图像相位信息。Nguyen等人的研究表明，将数据采集范围扩展至大动量散射电子，并将探针的部分相干性纳入考量，能够显著提升成像分辨率。在未经像差校正的电镜上，他们成功对扭转二硒化钨双分子层样品实现了高达0.44埃的超高分辨率成像。——Phil Szuromi
长期以来，电子电镜的空间分辨率一直受到磁透镜固有像差的限制。正是这一局限性推动了像差校正电子电镜的发展与广泛应用，该技术通过电磁元件的串联组合来校正透镜像差。二十多年来，像差校正器使TEM和STEM能够实现亚埃分辨率，成为在原子尺度下深入理解材料原子结构、组成和键合特性的不可或缺的工具。然而，像差校正电镜设备昂贵、结构复杂，需要高水平的专业技术来操作和维护，这大大限制了亚埃尺度电镜技术的普及应用。
叠层成像术（Ptychography）为高分辨率成像提供了一种替代途径，该技术通过收集会聚束电子衍射（CBED）图样作为探针位置的函数（见图1A示意图），产生4D-STEM数据集。电子叠层成像术利用4D-STEM数据中的过度确定信息来解决相位问题，从而能够同时确定物体和探针的特性。
通过这种方式，叠层成像术通过计算处理而非透镜光学来消除像差影响。这一过程使得超分辨率成像成为可能，即能够超越由物理成像系统数值孔径所定义的空间分辨率极限。
近年来，电子叠层成像术已实现深亚埃（）分辨率，能够分辨小至0.4 Å的原子间距，接近声子模糊效应所设定的分辨率理论极限。通过达到深亚埃区间，叠层成像术大幅超越了即使是最优秀的像差校正设备使用积分探测器（如环形暗场（ADF）-STEM）时的常规分辨率极限。这些突破性进展得益于快速、高动态范围像素化STEM探测器和先进重建算法的发展。
值得注意的是，电子叠层成像术最初是在未校正电镜上开发的，在这些设备上已证明了相对于常规衍射极限的显著分辨率提升，分辨率达到1-5 Å范围。
然而，即使采用叠层成像术，未校正设备仍未达到亚埃分辨率这一重要里程碑——在此分辨率下，它们将达到或超越像差校正STEM的常规分辨率性能。相反，尽管理论上具有可行性，亚埃和深亚埃叠层成像术迄今为止仅在像差校正STEM中得以实现。这种差距自深亚埃叠层成像术首次演示以来已持续超过5年。显然，需要定制化的方法来克服在并非为亚埃区间而设计的电镜中获得最前沿空间分辨率时面临的实际挑战。
分辨率的实验演示
Nguyen等人在未校正STEM中成功演示了深亚埃分辨率成像。图1比较了在未校正和像差校正电子电镜中获得的扭转双分子层二硒化钨（WSe₂）的实验ADF-STEM图像和电子叠层成像结果。如WSe₂（图1B）等二维材料的扭转双分子层是理想的分辨率测试结构，因为它们包含具有一系列投影原子间距的莫尔条纹，其中包括即使使用像差校正技术也难以分辨的深亚埃间距。
图1. 未校正和像差校正STEM中扭转双分子层WSe₂的ADF-STEM和叠层成像术对比
（A）4D-STEM数据采集示意图，显示为每个探针位置收集CBED图样的过程。（B）具有3.4°层间扭转角的扭转双分子层WSe₂原子结构模型。（C）ADF-STEM图像和（D）使用未校正STEM（α = 10.3 mrad）获得的重建叠层成像相位图像。（E和F）分别对应（C）和（D）的FFT功率谱。信息传递极限（白色虚线标记）在未校正电镜中：ADF-STEM为1.7 Å，叠层成像术为0.44 Å。（G）ADF-STEM图像和（H）使用像差校正STEM（α = 24.9 mrad）获得的重建叠层成像相位图像。（I和J）分别对应（G）和（H）的FFT。信息传递极限在像差校正电镜中：ADF-STEM为0.95 Å，叠层成像术为0.41 Å。
在来自未校正STEM的ADF-STEM图像中（图1C），分辨率足以可视化扭转双分子层WSe₂的莫尔晶格，但无法分辨单个原子。相比之下，在相同探针形成条件下获得的叠层成像相位图像（图1D）清楚地分辨出了单个W原子和Se原子柱。
功率谱分析显示，未校正ADF-STEM的信息传递极限约为1.7 Å（图1E），而叠层成像术达到0.44 Å（图1F），表明空间分辨率提高了近四倍。这些数据有力地证明了在未校正STEM中实现深亚埃分辨率的可能性。
关键的是，Nguyen等人在商用未校正STEM中获得了这些结果，除了添加高动态范围直接电子探测器外，对电镜本身未做任何改动。
Nguyen等人使用像差校正STEM重复了相同的测量实验（图1，G-J）。通过像差校正，ADF-STEM（图1G）和叠层成像相位图像（图1H）都能够分辨单个原子。相应的快速傅里叶变换（FFT；图1，I和J）显示ADF-STEM的信息传递极限为0.95 Å，叠层成像术为0.41 Å，与先前在像差校正仪器中的研究结果相当。
值得注意的是，在未校正STEM中电子叠层成像术实现的分辨率（0.44 Å）与像差校正电镜中的叠层成像分辨率（0.41 Å）几乎相同，并且轻松超越了像差校正ADF-STEM的分辨率（0.95 Å）。这一结果在实践中实现了长期以来理论预测的可能性，即无需像差校正器即可实现亚埃电镜技术。
实现深亚埃分辨率的关键在于两个重要因素。首先，虽然先前在未校正STEM中的电子叠层成像研究通常使用明场盘内或略超出明场盘的电子，Nguyen等人采用高动态范围电子电镜像素阵列探测器（EMPAD）进行全场叠层成像术，收集并利用散射到深亚埃重建所需大k矢量的电子。这些数据至关重要，因为叠层成像术的理论分辨率极限由衍射图样中收集的最高k矢量（k_max）决定，前提是具有足够的信噪比。
其次，Nguyen等人发现混合态叠层成像术——该方法考虑了探针的部分相干性——对于在未校正STEM中实现亚埃叠层成像术至关重要。这种方法与像差校正设备不同，后者可以使用单态叠层成像术实现亚埃分辨率。在本研究中，混合态方法可能部分补偿了未校正STEM典型的较低机械和电气稳定性。
本研究使用的未校正电镜配备肖特基场发射枪；Nguyen等人预期该结果难以推广到使用LaB₆电子源的STEM，因为后者的源相干性较低。需要指出的是，Nguyen等人的结果可能受益于电镜室的高环境稳定性，因为Nguyen等人的未校正STEM位于此前安置像差校正仪器的房间中。
会聚角的影响
在图2中，Nguyen等人通过展示亚埃电子叠层成像术在宽范围会聚角下均可实现，证明了其对几何像差的强鲁棒性。在传统STEM成像中，会聚角（α）或数值孔径是决定探针尺寸、景深和图像最终分辨率的关键参数。对于原子分辨率STEM，通常需要通过平衡孔径衍射和像差（特别是球差和高阶像差）的贡献来优化α值，以实现探针尺寸的最小化。
尽管叠层成像术可能与更灵活的光学条件兼容，但迄今为止大多数已报道的电子叠层成像研究都采用了针对STEM成像优化的会聚角。
图2. 在未校正电镜中不同会聚角下扭转双分子层WSe₂的电子叠层成像术
Nguyen等人在未校正STEM中使用三种不同的会聚角（7.5、10.3和23.1 mrad）收集了扭转双分子层WSe₂的4D-STEM数据，随后重建了叠层相位物体和探针。作为参考，典型的STEM采用8-10 mrad（未校正电镜）和18-30 mrad（校正电镜）的会聚角。透镜像差在每个会聚角下都清晰可见，表现为朗基图中的条纹结构（图2，A、C和E）和重建探针强度的展宽，Nguyen等人使用探针半高全宽和包含50%积分强度的直径（d₅₀）进行定量测量（图2，B、D和F）。
图2，J-O展示了使用两种方法对叠层图像空间分辨率的量化结果：最小可分辨距离和信息传递极限。图2，J、L和N中的线轮廓分析显示，Nguyen等人直接分辨了至少0.45、0.47和0.63 Å的投影原子间距，在三个图像中均实现了亚埃分辨率。此外，图像FFT（图2，K、M和O）显示的信息传递极限为0.44、0.44和0.63 Å，与最小可分辨距离测量结果一致。
尽管使用了高度像差、非理想的探针，图2，G-I显示叠层相位图像在所有三个会聚角下都成功实现了亚埃分辨率。
这些结果具有重要意义，因为它们既说明了叠层成像术在未校正电镜中的应用灵活性，也揭示了其固有局限性。虽然在理想的理论情况下，叠层成像术应能完全消除像差对图像的影响，但这一过程在实际电镜中确实存在限制。
像差减小了平坦相位区域的尺寸，并在朗基图中产生精细的相位条纹（如图2E中所见），这些条纹很难用有限尺寸的探测器完全捕获。例如，α = 23.1 mrad时分辨率的轻微下降是由探测器像素数量限制造成的，这在图3B中有更详细的讨论。这些效应在图3中得到了更深入的探讨，该图系统研究了像差、会聚角和探针尺寸的综合影响。
未校正STEM中叠层成像术的关键参数
在图3A中，Nguyen等人绘制了仿真ADF-STEM图像和来自仿真4D-STEM数据的叠层相位图像的分辨率作为会聚角的函数，使用单分子层WSe₂作为测试样品。Nguyen等人仿真了球差（Cs）条件为1.1 mm（代表未校正STEM）和1 μm（代表像差校正STEM）的情况。为获得图3A中的叠层曲线，Nguyen等人使用理想的1024像素探测器进行了部分相干仿真。Nguyen等人进行了更多探索声子、探测器模糊、探测器尺寸和部分相干影响的仿真研究。
Nguyen等人采用两种方式计算分辨率：对于ADF-STEM，测量仿真探针强度的d₅₀；对于叠层成像术，使用叠层相位图像中孤立原子的d₅₀。需要注意的是，选择d₅₀是为了能够在宽会聚角范围内正确捕获未校正STEM中Cs引起的探针尾部效应。然而，d₅₀是分辨率的保守估计，通常产生比图2中显示的半高全宽值更大的数值。
图3. 跨会聚角亚埃分辨率电子叠层成像术的仿真研究
ADF-STEM分辨率（图3A，蓝线）表现出对会聚角的预期强依赖性。每个Cs值的最佳ADF-STEM分辨率都仅在α的窄范围内实现。相比之下，叠层成像术的分辨率（图3A，棕线）在校正和未校正仪器的宽范围（5 mrad ）内均保持在亚埃级别（在10.5 mrad时d₅₀ = 0.55 Å，在40 mrad时d₅₀ = 0.92 Å）。这种显著差异源于ADF-STEM和叠层成像术的不同成像机制。虽然ADF-STEM分辨率由探针尺寸决定，但叠层成像术的分辨率由CBED图案中收集的可用k_max值设定。这些数据表明，STEM中的会聚角可以在很大范围内调节，同时仍能实现亚埃空间分辨率。
图3B通过显示叠层重建与真实原子势之间的结构相似性指数（SSIM）作为会聚角的函数，在两种不同Cs值（1.1 mm或1.0 μm）和三种探测器配置（128×128、256×256或512×512像素）下，进一步强调了电子叠层成像术的灵活性。使用128像素探测器时，在宽会聚角范围（5 mrad ）内，未校正和校正电镜都获得了SSIM > 0.8的高质量原子分辨率图像（图3D）。
Nguyen等人的仿真还表明，高达40 mrad的会聚角——远大于之前演示的角度——可能与亚埃分辨率电子叠层成像术兼容，尽管在如此大的会聚角下，应当考虑部分相干、色差和高阶几何像差的影响。此外，图3B显示会聚角并非可以任意调节的。例如，图3C中α = 1 mrad的重建缺乏可辨识的原子特征，表现出极低的SSIM值（），表明叠层重建失败。这种低α极限的出现是因为叠层成像术依赖于编码在衍射图案中的相位诱导干涉信息。在晶体材料的电子叠层成像术中，这种相位干涉通常需要通过足够大的会聚角来实现，以产生重叠的布拉格盘。
在高会聚角条件下，图3B揭示了未校正STEM中叠层成像的一个限制因素，即4D-STEM探测器中像素数量的限制。在Nguyen等人的仿真中，相机长度和k_max保持恒定，因此增加探测器像素数量对应于提高k空间采样密度。对于未校正电镜（Cs = 1.1 mm），当会聚角大于18 mrad时，SSIM值开始下降，此时像差开始主导探针性能。使用更多像素的探测器时，高α值下的图像质量下降幅度相对较小。探测器尺寸依赖性的出现是因为当使用大会聚角和有像差的探针时，需要高k空间采样密度来捕获CBED图案中产生的精细特征。
然而，Nguyen等人注意到，即使当SSIM降至0.5时（未校正STEM在40 mrad，128像素探测器），相应的图像（图3E）仍保持原子分辨率，尽管重建看起来比α = 10.5 mrad图像（图3D）更加嘈杂和模糊，这与Nguyen等人在图2，I、N和O中的实验结果一致。这些数据表明，增加探测器尺寸可以扩展能够产生高质量、高分辨率叠层重建的电镜类型和探针形成条件的范围，这一结果应该激励开发同时具有高动态范围和更高像素数的新一代探测器。
利用像差构建结构化探针
最后，Nguyen等人研究了如何利用像差为电子叠层成像创建结构化STEM探针。定制照明波函数已被广泛探索用于提高叠层成像重建的收敛性、分辨率和剂量效率。由于叠层成像能够将衍射图案中的信息解耦为照明和物体函数，具有高度结构化的探针通常会减少不同探针–样品组合之间的模糊性。
由于所有STEM（即使是未校正的仪器）都包含用于部分校正像差的透镜元件，因此控制像差可以为电子叠层成像提供一种内置的结构化探针制造方法。实际上，虽然离焦是定制电子叠层成像探针尺寸的常用方法，但对于什么构成叠层成像的理想电子波函数，以及改变探针结构如何影响所得图像质量，Nguyen等人的了解仍然有限。
如图4所示，Nguyen等人确定了在扭转双分子层MoSe₂的仿真4D-STEM数据集中，哪些像差能够产生最高质量的叠层成像重建。通过高斯过程贝叶斯优化找到了能够产生最高SSIM叠层成像图像的最优探针像差。
Nguyen等人研究了包含离焦（通常记为df或C₁,₀）、球差（Cs或C₃,₀）、离焦和球差组合（df + Cs）、二重像散（C₁,₂）或三重像散（C₂,₃）的探针，遵循Krivanek等人提出的记号体系。虽然Cs在未校正STEM中不能直接调节，但Nguyen等人纳入Cs优化是因为它可以在像差校正STEM中控制，并作为其他探针条件的比较基准。
图4. 利用像差优化电子叠层成像探针
图4，A-E显示了每种像差类型的优化探针以及在10⁷ e⁻/Ų剂量下的线轮廓。对于非对称像差，如二重或三重像散，像差系数和方向都进行了优化，但方向的影响可忽略不计。数据呈现的几个特征值得注意。
首先，与传统STEM成像不同，最优像差系数在每种情况下都为非零值。例如，球差探针的优化系数为Cs = 0.17 mm（图4B），二重像散探针为C₁,₂ = 42 nm（图4D）；这些像差使探针适度展宽以确保足够的探针重叠。与高分辨率TEM不同——在TEM中Scherzer离焦描述了给定Cs值的最优分辨率——在叠层成像中，最优离焦不仅是Cs的函数，还取决于会聚角、扫描步长和其他采集参数。
其次，最大图像质量（SSIM）随像差类型而变化。虽然图4，A-E中的每个结构化像差探针都产生了高质量重建，但包含离焦和球差的探针产生了最佳重建效果，而三重像散探针（图4A）产生的结果相对最差。这些结果与先前研究一致，表明在实空间各个方向上足够的探针重叠对于高重建质量是必需的。
探针结构同样影响重建质量。例如，图4，A-E中的线轮廓表明，具有尖锐边缘轮廓的探针（图4，D和E）与更高SSIM之间存在相关性，而不是具有长探针尾部的探针（图4，A和B）。
Nguyen等人在图4F中探索了结构化探针对叠层成像剂量效率的影响，该图绘制了五种像差类型的图像重建质量与电子剂量的函数关系。为了将Nguyen等人的结果与未校正电镜条件进行比较，Nguyen等人还包含了Cs = 1.1 mm且贝叶斯优化离焦的曲线（图4F，浅蓝色虚线）。
如预期的那样，每个优化探针的SSIM均随剂量增加而提高。更有趣的是，Nguyen等人考虑了获得固定图像质量所需的剂量。如图4F中水平虚线所示，最佳三重像散探针需要1 × 10⁷ e⁻/Ų的剂量才能获得SSIM为0.8的重建，而最优df + Cs探针仅用6 × 10⁴ e⁻/Ų就达到了相同的图像质量，剂量降低了超过两个数量级。
将Cs = 1 mm的df + Cs探针与其他优化探针比较同样强调了探针设计的重要性：具有优化离焦的未校正电镜可以匹配甚至超越来自像差校正仪器的非理想探针（如三重像散探针）的性能。
此外，图4F显示，df + Cs或二重像散C₁,₂探针优于简单离焦探针；这些结果具有重要意义，因为离焦探针叠层成像此前已被证明能以比ADF-STEM低50倍的剂量实现原子分辨率。这些结果进一步拓展了高分辨率叠层成像的剂量效率，并指出了使用定制照明进行剂量高效电子叠层成像的新途径。
结论
本文报告的结果为未校正STEM带来了高质量、深亚埃分辨率成像能力。Nguyen等人的结果具有重要意义，因为未校正电镜比像差校正设备更加便宜、更易获得，并且与原位实验方法具有更好的兼容性。使用Nguyen等人的方法，几乎任何扫描透射电镜都可以升级改造以实现最前沿的深亚埃分辨率成像。因此，Nguyen等人的结果有潜力催化亚埃分辨率表征技术可及性的重大转变。
此外，Nguyen等人的方法应该与快速发展的电子叠层成像领域中的新兴技术兼容，包括多层叠层成像和电磁场测量，这可能进一步扩展其应用范围。最后，Nguyen等人的工作展示了一种简单的方法来创建为剂量高效叠层成像优化的结构化探针，这种方法可能对开发基于叠层成像的低剂量和3D成像新技术具有重要价值，这两个领域目前发展迅速。
虽然像差校正STEM将继续为需要形成明亮、聚焦探针的应用（如原子尺度化学成分制图）提供显著优势，但Nguyen等人的结果代表了在亚埃和深亚埃尺度上扩大电子电镜应用范围的重要进步。
参考资料：DOI: 10.1126/science.adl2029
本文源自微信公众号：老千和他的朋友们
原文标题：《Science | 叠层成像术：在未校正电镜实现0.44埃超高分辨率》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/wGhoUCXg1dfp3cjGVe-ddg
本转载仅出于分享优质测试干货，旨在传递更多观点，并不代表赞同其全部观点或证实其内容的真实性。文章中所包含的图片、音频、视频等素材的版权均归原作者所有。如有侵权请告知删除。
