莫非事務(wù)所 | 時(shí)下火熱的iDPC技術(shù)，究竟為何？
作為科學(xué)研究的利器，新的技術(shù)手段革新，往往讓科研工作如虎添翼。在電鏡領(lǐng)域，球差校正器的橫空出世，直接將(S)TEM的分辨率推向亞埃級(jí)尺度。這使得科學(xué)家對(duì)各類單原子圖像的表征變得“容易”，學(xué)術(shù)乃至工業(yè)領(lǐng)域，系列相關(guān)成果報(bào)道一時(shí)涌現(xiàn)。
01
技術(shù)背景
隨著對(duì)球差校正（掃描）透射電鏡應(yīng)用的逐步“大眾化”，“能”觀察到原子及相關(guān)信息已經(jīng)逐漸不能滿足前沿科學(xué)家的需求，能觀察到“更多”原子及相關(guān)信息成為他們當(dāng)下的夙愿。
而實(shí)現(xiàn)“更多”，首先就面臨兩個(gè)技術(shù)瓶頸：
一是現(xiàn)有STEM技術(shù)無(wú)法觀察到“更多”輕元素原子，實(shí)現(xiàn)輕、重原子同時(shí)成像。比如廣泛應(yīng)用的HAADF探頭由于側(cè)重于采集高角盧瑟福散射信號(hào),低角散射信號(hào)過(guò)低，無(wú)法“看到”C、N、O等輕原子；STEM ABF像可以“看到”，但又帶來(lái)ABF圖像無(wú)法直接解讀需要模擬計(jì)算確認(rèn)、對(duì)樣品厚度要求高、圖像信噪比不佳等問(wèn)題。而在某些研究中，觀察到輕原子是至關(guān)重要的，如研究輕元素原子空位和缺陷就是保證鐵電鐵磁陶瓷和高溫超導(dǎo)體性能的關(guān)鍵因素。
二是對(duì)電子束流敏感的材料成像無(wú)法觀察到“更多”關(guān)鍵信息。一些重要的功能材料對(duì)電子束非常敏感，常常通過(guò)降低電子束束流（劑量）的方法實(shí)現(xiàn)STEM成像，但這種操作難度大，同時(shí)圖像信噪比低，難以獲得“更多”關(guān)鍵信息。
02
時(shí)下火熱的iDPC技術(shù)
在以上背景下，針對(duì)“更多”原子信息需求，在電鏡上加載iDPC這一STEM成像模式技術(shù)成功解決了觀察“更多”的兩個(gè)技術(shù)瓶頸。此技術(shù)也為諸多科學(xué)家?guī)?lái)福音，迅速得到大家的追捧，并協(xié)助獲得諸多新的科研成果并頂刊報(bào)道。
03
關(guān)于iDPC技術(shù)
1970年代的一個(gè)理論幫了大忙，便是“會(huì)聚束衍射花樣的質(zhì)心在樣品的不同區(qū)域會(huì)發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)的方向和幅度與樣品的投影內(nèi)勢(shì)分布具有線性相關(guān)性，而投影內(nèi)勢(shì)又與樣品原子信息直接相關(guān)”。iDPC技術(shù)則巧妙借助多分區(qū)探頭和優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了將花樣質(zhì)心的移動(dòng)信息間接展現(xiàn)出樣品的原子位置信息。由于花樣質(zhì)心移動(dòng)信息通過(guò)STEM掃描模式即可獲取，iDPC便使球差校正掃描透射電鏡捕獲原子信息的能力得到“放大”。
同時(shí)，“放大”使得iDPC技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料中輕、重元素原子同時(shí)成像，并大幅度改善了對(duì)電子束敏感材料的成像質(zhì)量。
iDPC技術(shù)應(yīng)用案例1
實(shí)現(xiàn)輕（氧原子）重原子同時(shí)成像
清華大學(xué)材料學(xué)院朱靜教授課題組、物理系段文暉教授課題組及薛其坤教授課題組在材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》上聯(lián)合發(fā)表了題為“摻雜氧原子在鉍鍶鈣銅氧超導(dǎo)氧化物中的直接觀察”的研究成果。研究利用iDPC技術(shù)，直接在原子尺度上觀察到了Bi2Sr2CaCu2O8+δ中摻雜氧原子的位置（如下圖所示）。結(jié)果表明，室溫下?lián)诫s氧原子位于BiO和SrO原子層中間的張應(yīng)力區(qū)域，并呈現(xiàn)不均勻分布，有的區(qū)域出現(xiàn)成對(duì)氧原子，有的區(qū)域呈現(xiàn)單個(gè)氧原子。該工作為超導(dǎo)機(jī)制的理解提供了幫助。
iDPC技術(shù)應(yīng)用案例2
對(duì)電子束敏感多孔材料客體分子高分辨成像
阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)韓宇教授團(tuán)隊(duì)與浙江工業(yè)大學(xué)朱藝涵教授、中科院大連化物所的郭鵬研究員，重慶大學(xué)的張大梁教授等人合作在Angew發(fā)表成果，利用最新的iDPC高分辨成像技術(shù)，在實(shí)空間內(nèi)直接觀察到了分子篩中的客體分子，實(shí)現(xiàn)了對(duì)敏感多孔材料中客體分子的高分辨成像，為研究電子束敏感的孔材料中主體-客體在原子級(jí)分辨率的相互作用提供了一種新的方法，具有重要意義。
04
小結(jié)
由于iDPC技術(shù)從根本上解決了STEM獲得“更多”原子信息的兩項(xiàng)瓶頸，巧妙設(shè)計(jì)操作上只需首先在STEM模式下對(duì)樣品進(jìn)行掃描，然后對(duì)獲取移動(dòng)數(shù)據(jù)二維積分，進(jìn)而獲得原子信息。隨著iDPC技術(shù)迅速成為學(xué)術(shù)領(lǐng)域技術(shù)熱點(diǎn)，以及該技術(shù)在輕元素占位、二維材料、分子篩、超導(dǎo)體等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，工業(yè)市場(chǎng)分享這項(xiàng)優(yōu)秀技術(shù)的應(yīng)用也將為時(shí)不遠(yuǎn)。
