清華大學(xué)于榮團(tuán)隊(duì)發(fā)明了百萬(wàn)原子級(jí)的三維重構(gòu)方法

世界是三維的，但人們記錄的圖像總是二維的?；謴?fù)失去的維度是顯微學(xué)的重要目標(biāo)。隨著像差校正電子顯微鏡和先進(jìn)的重構(gòu)算法的發(fā)展，層析成像技術(shù)已能對(duì)晶體或非晶材料實(shí)現(xiàn)原子分辨的三維重構(gòu)。然而，目前原子分辨層析成像（atomic electron tomography, AET）僅能對(duì)數(shù)萬(wàn)個(gè)原子的小尺寸物體進(jìn)行三維重構(gòu)，而且原子位置精度較低。如何重構(gòu)更大尺寸物體，獲得更高精度，是三維結(jié)構(gòu)分析的難題。

近期，清華大學(xué)材料學(xué)院于榮團(tuán)隊(duì)結(jié)合層析成像與深度切片，提出了一種稱為多切片局域軌道層析成像（multiple-section local-orbital tomography）的方法，簡(jiǎn)稱nLOT，將可重構(gòu)物體尺寸提高到百萬(wàn)原子，而且在三個(gè)空間維度上都具有高空間分辨率和高定位精度，相關(guān)研究發(fā)表于Science Bulletin。

傳統(tǒng)的層析成像技術(shù)在每個(gè)傾斜角度只采集物體的正焦圖像，以確保獲得最佳圖像。nLOT采用了一種新的數(shù)據(jù)采集方法，在每個(gè)傾斜角度采集具有不同離焦量的多幅圖像，但減少傾轉(zhuǎn)角度的數(shù)目，如圖1所示。這些圖像的離焦量并不需要等間隔分布，而是大致分布在物體的整個(gè)深度范圍內(nèi)即可。在總劑量不變的情況下，顯著減少了層析成像實(shí)驗(yàn)的流程和采集時(shí)間。

圖1. nLOT示意圖。(a) nLOT在每個(gè)角度獲取不同離焦量的n幅圖像。(b) 電子束在不同深度的切片。

nLOT將電子束與物體之間的相互作用描述為電子束與物體不同深度切片的卷積，nLOT通過(guò)像素化優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)電子束與物體的解耦。重構(gòu)時(shí)不需要輸入圖像的精確離焦量，所有傾斜角度下的所有深度切片圖像均初始化為正焦條件。圖2顯示了nLOT優(yōu)化的電子束的深度切片圖。電子束展寬最小的深度與真實(shí)離焦量吻合，表明nLOT不依賴于初始離焦量，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程。

圖2. 通過(guò)nLOT重構(gòu)的電子束。(a)初始化時(shí)電子束的深度切片。(b)-(d)優(yōu)化后的電子束深度切片，分別對(duì)應(yīng)于切片1-切片3。紅色線框表示電子束展寬最小的切片。

重構(gòu)結(jié)果的位置精度如圖3所示?？梢钥闯?，位置精度與原子數(shù)大約呈線性關(guān)系。nLOT的斜率明顯小于其它幾種單切片層析成像方法。即使對(duì)于由100萬(wàn)個(gè)原子組成的模型，nLOT重構(gòu)得到的位置精度也達(dá)到了6.6 pm。對(duì)這種尺寸，單切片層析成像（直接投影、剛性DDI、自適應(yīng)DDI）早已無(wú)法得到可靠的重構(gòu)結(jié)果。

圖3. 模型重構(gòu)結(jié)果的位置精度。虛線是原子位置精度與原子個(gè)數(shù)的線性擬合。直接投影、剛性DDI、自適應(yīng)DDI和nLOT的斜率分別為105、26、23和4.4 pm/百萬(wàn)原子。

簡(jiǎn)而言之，作者提出并實(shí)現(xiàn)了多切片局域軌道層析成像方法（nLOT），通過(guò)將電子束與圖像解耦，nLOT充分利用了深度切片圖像中蘊(yùn)含的物體各深度的信息，打破了傳統(tǒng)單切片層析成像中景深對(duì)重構(gòu)物體大小的限制，并允許使用更少的傾斜角。nLOT方法使大尺寸物體的高精度三維重構(gòu)成為可能，將對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)分析帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。

了解詳情，請(qǐng)閱讀原文：Liangze Mao, Jizhe Cui, Rong Yu. 3D reconstruction of a million atoms by multiple-section local-orbital tomography. Science Bulletin, doi/10.1016/j.scib.2024.09.006