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电子束敏感材料的原子分辨率成像一直颇具挑战。研究人员开展了低剂量电子叠层成像（electron ptychography）对金属有机框架（MOFs）成像的研究。结果实现了～100 e-/?2剂量下近原子分辨率成像，揭示了 MOFs 结构特征。这为敏感材料成像提供新途径。
在材料科学的微观探索领域，准确解析材料的原子结构至关重要，尤其是对于那些对电子束极为敏感的材料，如金属有机框架（MOFs）。传统的原子分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）成像在面对这类材料时，可谓困难重重。一方面，为了保护样品的结构完整性，电子剂量必须减到最小，这就急需开发能高效利用电子的成像机制；另一方面，要得到可解析的图像，样品需要超薄，而在实际操作中这一条件很难满足；此外，聚焦电子束时，敏感样品还可能会受到结构损伤。
此前，电子叠层成像技术虽已展现出在低剂量成像方面的潜力，但对于像 MOFs 这类电子剂量阈值极低（<100 e-/?2 ）的新兴功能材料，在如此低剂量下进行高分辨率成像仍未实现，而且在极低电子剂量条件下，叠层成像的分辨率极限也尚不明确。
为了突破这些困境，来自沙特阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology, KAUST）等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们成功实现了在低至～100 e-/?2 的电子剂量下，对 MOFs 进行近原子分辨率（~2 ?）的电子叠层成像重建。这一成果意义非凡，不仅清晰地分辨出了 MOFs 中的有机连接体、金属簇，甚至还能看到金属簇内的原子列，同时也揭示了 MOFs 中多种局部结构特征，该研究成果发表在《Nature Communications》上。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是利用 4D-STEM 技术，让电子探针以二维光栅方式扫描样品，远场像素化探测器记录每个扫描位置的二维会聚束电子衍射（CBED）图案，从而获得 4D 数据集；二是通过模拟和实验相结合，研究不同收敛半角对低剂量叠层成像重建的影响；三是采用混合方法，如结合 J 矩阵和傅里叶方法，对实验数据进行处理和分析。
研究结果主要从以下几个方面展开：
- 模拟研究收敛半角影响：研究人员以 MOF Zr-BTB 为模型材料进行模拟。结果发现，在无限电子剂量和 1000 e-/?2剂量下，不同收敛半角都能使迭代叠层成像重建顺利收敛。但当剂量降至 100 e-/?2时，15 mrad 和 21 mrad 的模拟数据迭代无法收敛，10 mrad 时能得到稳定的迭代过程和高分辨率的重建图像，5 mrad 时重建图像分辨率下降。这表明在极低电子剂量下，较小的收敛半角更有利于 MOF 材料的叠层成像重建。
- Zr-BTB 的实验成像：基于模拟结果，研究人员在实验中对 Zr-BTB 沿 [100] 晶带轴采集 4D-STEM 数据，采用 10 mrad 收敛半角、1.05 ? 扫描步长和 115 e-/?2的电子剂量。通过叠层成像重建得到的图像具有近原子分辨率和明显的对比度，清晰显示出 Zr-BTB 的基本结构特征，其信息传递达到 2.25 ?，远超之前对该 MOF 的分辨率。
- MOSS-6 的实验成像及结构分析：研究人员对另一种 MOF——MOSS-6 进行研究，同样采用优化条件采集数据。叠层成像重建得到了原子分辨率的图像，分辨率高达 1.96 ?，能直接识别出 NU-1000 的特征结构，甚至分辨出簇内的原子列。此外，通过图像还发现了 MOSS-6 的结构不均匀性，如存在 “额外簇” 和 “缺失连接体” 等缺陷，揭示了晶体表面的终止模式。
- 其他敏感材料的模拟研究：研究人员还对其他敏感材料进行了模拟，发现对于 ZIF-8 和 In-sod-ZMOF-102 等 MOFs，10 mrad 收敛半角在低剂量下仍是最佳选择，但 ZIF-8 由于结构更致密，成功重建所需剂量略高。对于混合钙钛矿 CH3NH3PbI3 ，则需要更薄的样品和更高的电子剂量，目前在现有条件下实验实现其叠层成像重建颇具挑战。
研究结论和讨论部分指出，该研究证明了在低电子剂量下对高束敏材料进行 4D-STEM 叠层成像的可行性，确定了数据采集时大扫描步长、适当散焦探针和较小收敛角的组合对后续迭代叠层成像重建的关键作用。此前研究未认识到小收敛角在低剂量、厚样品电子叠层成像中的优势，而本研究实现了在保持原子分辨率的同时，将电子剂量进一步降低一个数量级，达到～100 e-/?2 。这一突破为低剂量成像领域带来了新的发展，为各种材料的表征开辟了新的可能性，充分展现了 4D-STEM 叠层成像在材料科学中的巨大变革潜力。
