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康奈爾大學(xué)研發(fā)新型電子顯微鏡像素陣列檢測器
2021年06月03日 08:54:25
來源：康奈爾大學(xué) 點擊量：6148
近日，康奈爾大學(xué)研究團隊又研發(fā)了一種新的電子顯微鏡像素陣列檢測器，其使用更精細的三維重建算法將他們2018年的記錄提高了2倍。該顯微鏡分辨率十分精細，較為模糊的就是來自樣品本身的原子的熱抖動。從某種意義上來說，新的顯微鏡又創(chuàng)造了一個新的記錄。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】在2500年前，希臘哲學(xué)家們曾對物質(zhì)的組成問題爭論不休。到了200年前，化學(xué)家們才在理論上發(fā)現(xiàn)了亞原子尺度上的結(jié)構(gòu)。為了看到亞原子細微的結(jié)構(gòu)，科學(xué)家也在不斷努力。
從16世紀的光學(xué)顯微鏡發(fā)明以來，20世紀初的電子顯微鏡突破了光學(xué)顯微鏡固有的衍射極限(大約 200 納米)。其能夠輕易分辨出單個原子，但對于亞原子尺度的世界，這個分辨率還遠遠不夠。
2018年，康奈爾大學(xué)應(yīng)用與工程物理系(AEP)教授 David Muller與物理教授Sol Gruner、Veit Elser合作，開發(fā)出了當(dāng)時世界上具有最高成像分辨率的的電子顯微鏡像素陣列探測器(EMPAD)。
電子顯微鏡之所以能夠獲得遠高于光學(xué)顯微鏡的分辨率，是因為其電子波長遠小于可見光的波長，但是電子顯微鏡的透鏡卻沒有這種相稱的精度。更為遺憾的是，電子顯微鏡的分辨率很大程度上取決于透鏡的數(shù)值孔徑。
在傳統(tǒng)相機中，數(shù)值孔徑是“f 值”(光圈值)的倒數(shù)，所以“f 值”越小，分辨率會越高。一般而言，一臺好相機的“f 值”大約稍小于 2，而電子顯微鏡的“f 值”大約在 100 左右。利用像差矯正器能將這個值降低到 40 左右，然而這遠遠不夠。
電子顯微鏡的透鏡存在一個固有的缺陷稱為像差，多年以來科學(xué)家一直在研究各種各樣的像差校正器，就像給顯微鏡配一副眼鏡，希望能夠消除這種像差。然而，像差校正器的作用始終有限。為了校正多重像差，必須使用一系列的校正單元，就像在眼鏡上套眼鏡再套眼鏡一樣，這就讓整個儀器變的臃腫、笨拙。
電子顯微鏡分辨率的前世界紀錄——亞埃級分辨率，其是在利用像差校正透鏡以及 300 keV(30 萬電子伏)超高電子束能量下獲得的。原子鍵的長度大約在一到兩個埃左右，所以亞埃級分辨率能夠使科學(xué)家輕松的分辨單個原子的圖像。
而利用 EMPAD 探測器，Muller 團隊以單原子層厚度的單層二硫化鉬為觀測樣本，在不使用像差校正器的情況下，獲得了電子顯微鏡成像分辨率的最新世界紀錄——0.39 埃，這一突破打破了從前的分辨率紀錄。但由于技術(shù)原因，該機器只對幾個原子厚的超薄樣品起作用。
時隔三年，近日，康奈爾大學(xué)研究團隊又研發(fā)了一種新的電子顯微鏡像素陣列檢測器，其使用更精細的三維重建算法將他們2018年的記錄提高了2倍。該顯微鏡分辨率十分精細，較為模糊的就是來自樣品本身的原子的熱抖動。從某種意義上來說，新的顯微鏡又創(chuàng)造了一個新的記錄。
該顯微鏡解決了光束在樣品研究中的多重散射問題，未來，有望為科學(xué)家們更精細化的事物研究開辟新的可能性。
從16世紀的光學(xué)顯微鏡發(fā)明以來，20世紀初的電子顯微鏡突破了光學(xué)顯微鏡固有的衍射極限(大約 200 納米)。其能夠輕易分辨出單個原子，但對于亞原子尺度的世界，這個分辨率還遠遠不夠。
2018年，康奈爾大學(xué)應(yīng)用與工程物理系(AEP)教授 David Muller與物理教授Sol Gruner、Veit Elser合作，開發(fā)出了當(dāng)時世界上具有最高成像分辨率的的電子顯微鏡像素陣列探測器(EMPAD)。
電子顯微鏡之所以能夠獲得遠高于光學(xué)顯微鏡的分辨率，是因為其電子波長遠小于可見光的波長，但是電子顯微鏡的透鏡卻沒有這種相稱的精度。更為遺憾的是，電子顯微鏡的分辨率很大程度上取決于透鏡的數(shù)值孔徑。
在傳統(tǒng)相機中，數(shù)值孔徑是“f 值”(光圈值)的倒數(shù)，所以“f 值”越小，分辨率會越高。一般而言，一臺好相機的“f 值”大約稍小于 2，而電子顯微鏡的“f 值”大約在 100 左右。利用像差矯正器能將這個值降低到 40 左右，然而這遠遠不夠。
電子顯微鏡的透鏡存在一個固有的缺陷稱為像差，多年以來科學(xué)家一直在研究各種各樣的像差校正器，就像給顯微鏡配一副眼鏡，希望能夠消除這種像差。然而，像差校正器的作用始終有限。為了校正多重像差，必須使用一系列的校正單元，就像在眼鏡上套眼鏡再套眼鏡一樣，這就讓整個儀器變的臃腫、笨拙。
電子顯微鏡分辨率的前世界紀錄——亞埃級分辨率，其是在利用像差校正透鏡以及 300 keV(30 萬電子伏)超高電子束能量下獲得的。原子鍵的長度大約在一到兩個埃左右，所以亞埃級分辨率能夠使科學(xué)家輕松的分辨單個原子的圖像。
而利用 EMPAD 探測器，Muller 團隊以單原子層厚度的單層二硫化鉬為觀測樣本，在不使用像差校正器的情況下，獲得了電子顯微鏡成像分辨率的最新世界紀錄——0.39 埃，這一突破打破了從前的分辨率紀錄。但由于技術(shù)原因，該機器只對幾個原子厚的超薄樣品起作用。
時隔三年，近日，康奈爾大學(xué)研究團隊又研發(fā)了一種新的電子顯微鏡像素陣列檢測器，其使用更精細的三維重建算法將他們2018年的記錄提高了2倍。該顯微鏡分辨率十分精細，較為模糊的就是來自樣品本身的原子的熱抖動。從某種意義上來說，新的顯微鏡又創(chuàng)造了一個新的記錄。
該顯微鏡解決了光束在樣品研究中的多重散射問題，未來，有望為科學(xué)家們更精細化的事物研究開辟新的可能性。
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