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分辨率提升两倍——显微镜领域新突破


【概要描述】在2500年前,希腊哲学家们曾对物质的组成问题争论不休。到了200年前,化学家们才在理论上发现了亚原子尺度上的结构。为了看到亚原子细微的结构,科学家也在不断努力。  从16世纪的光学显微镜发明以来,20世纪初的电子显微镜突破了光学显微镜固有的衍射(大约200纳米)。其能够轻易分辨出单个原子,但对于亚原子尺度的世界,这个分辨率还远远不够。  2018年,康奈尔大学应用与工程物理系(AEP)教授DavidMuller与物理教授SolGruner、VeitElser合作,开发出了当时世界上具有高成像分辨率的的电子显微镜像素阵列探测器(EMPAD)。    电子显微镜之所以能够获得远高于光学显微镜的分辨率,是因为其电子波长远小于可见光的波长,但是电子显微镜的透镜却没有这种相称的精度。更为遗憾的是,电子显微镜的分辨率很大程度上取决于透镜的数值孔径。  在传统相机中,数值孔径是“f值”(光圈值)的倒数,所以“f值”越小,分辨率会越高。一般而言,一台好相机的“f值”大约稍小于2,而电子显微镜的“f值”大约在100左右。利用像差矫正器能将这个值降低到40左右,然而这远远不够。  电子显微镜的透镜存在一个固有的缺陷称为像差,多年以来科学家一直在研究各种各样的像差校正器,就像给显微镜配一副眼镜,希望能够消除这种像差。然而,像差校正器的作用始终有限。为了校正多重像差,必须使用一系列的校正单元,就像在眼镜上套眼镜再套眼镜一样,这就让整个仪器变的臃肿、笨拙。  电子显微镜分辨率的前世界纪录——亚埃级分辨率,其是在利用像差校正透镜以及300keV(30万电子伏)超高电子束能量下获得的。原子键的长度大约在一到两个埃左右,所以亚埃级分辨率能够使科学家轻松的分辨单个原子的图像。    而利用EMPAD探测器,Muller团队以单原子层厚度的单层二硫化钼为观测样本,在不使用像差校正器的情况下,获得了电子显微镜成像分辨率的新世界纪录——0.39埃,这一突破打破了从前的分辨率纪录。但由于技术原因,该机器只对几个原子厚的超薄样品起作用。  时隔三年,近日,康奈尔大学研究团队又研发了一种新的电子显微镜像素阵列检测器,其使用更精细的三维重建算法将他们2018年的记录提高了2倍。该显微镜分辨率十分精细,模糊就是来自样品本身的原子的热抖动。从某种意义上来说,新的显微镜又创造了一个新的记录。  该显微镜解决了光束在样品研究中的多重散射问题,未来,有望为科学家们更精细化的事物研究开辟新的可能性。

  在2500年前,希腊哲学家们曾对物质的组成问题争论不休。到了200年前,化学家们才在理论上发现了亚原子尺度上的结构。为了看到亚原子细微的结构,科学家也在不断努力。

  从16世纪的光学显微镜发明以来,20世纪初的电子显微镜突破了光学显微镜固有的衍射(大约 200 纳米)。其能够轻易分辨出单个原子,但对于亚原子尺度的世界,这个分辨率还远远不够。

  2018年,康奈尔大学应用与工程物理系(AEP)教授 David Muller与物理教授Sol Gruner、Veit Elser合作,开发出了当时世界上具有高成像分辨率的的电子显微镜像素阵列探测器(EMPAD)。

 

 

  电子显微镜之所以能够获得远高于光学显微镜的分辨率,是因为其电子波长远小于可见光的波长,但是电子显微镜的透镜却没有这种相称的精度。更为遗憾的是,电子显微镜的分辨率很大程度上取决于透镜的数值孔径。

  在传统相机中,数值孔径是“f 值”(光圈值)的倒数,所以“f 值”越小,分辨率会越高。一般而言,一台好相机的“f 值”大约稍小于 2,而电子显微镜的“f 值”大约在 100 左右。利用像差矫正器能将这个值降低到 40 左右,然而这远远不够。

  电子显微镜的透镜存在一个固有的缺陷称为像差,多年以来科学家一直在研究各种各样的像差校正器,就像给显微镜配一副眼镜,希望能够消除这种像差。然而,像差校正器的作用始终有限。为了校正多重像差,必须使用一系列的校正单元,就像在眼镜上套眼镜再套眼镜一样,这就让整个仪器变的臃肿、笨拙。

  电子显微镜分辨率的前世界纪录——亚埃级分辨率,其是在利用像差校正透镜以及 300 keV(30 万电子伏)超高电子束能量下获得的。原子键的长度大约在一到两个埃左右,所以亚埃级分辨率能够使科学家轻松的分辨单个原子的图像。   

  而利用 EMPAD 探测器,Muller 团队以单原子层厚度的单层二硫化钼为观测样本,在不使用像差校正器的情况下,获得了电子显微镜成像分辨率的新世界纪录——0.39 埃,这一突破打破了从前的分辨率纪录。但由于技术原因,该机器只对几个原子厚的超薄样品起作用。

  时隔三年,近日,康奈尔大学研究团队又研发了一种新的电子显微镜像素阵列检测器,其使用更精细的三维重建算法将他们2018年的记录提高了2倍。该显微镜分辨率十分精细,模糊就是来自样品本身的原子的热抖动。从某种意义上来说,新的显微镜又创造了一个新的记录。

  该显微镜解决了光束在样品研究中的多重散射问题,未来,有望为科学家们更精细化的事物研究开辟新的可能性。

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