掃描電子顯微鏡的發展歷史漫長而光榮，高分辨率掃描電子顯微鏡使得材料表面的獨特原子結構成像首次得以解決。這個歷史性的科學突破由多家機構的研究人員共同研發，其中美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（DOEs Lawrence Berkeley National Laboratory ,Berkeley Lab）的科學家也參與其中。

　國家電子顯微鏡中心分子實驗室（美國能源部用戶科學設備辦公室）的工作者Jim Ciston表示：我們已經研發出一種合理的直接法確定表面的原子結構，還能解決埋入界面這個挑戰性難題。雖然物質中，表面原子占總數的極小部分，但正是這些原子驅動大部分材料與環境之間發生化學相互作用。

　描述這個新方法的論文發表在Nature Communications上，Ciston是該論文的首要作者，論文題目為Surface Determination through Atomically Resolved Secondary Electron Imaging.其他作者包括Hamish Brown、Adrian DAlfonso、 Pratik Koirala、 Colin Ophus、 Yuyuan Lin、Yuya Suzuki、 HiromiInada、 Yimei Zhu、 Les Allen和 Laurence Marks.

　大多數物質通過表面與其他物質接觸，大部分材料的結構和化學性質都不同。大多數重要的反應發生在物體表面，無論是利用催化劑從陽光和二氧化碳中獲得高能量燃料，還是橋梁和飛機外表生銹都是如此。

　Ciston表示：從本質上講，每一種材料的表面就是其自身的納米材料涂層，材料外表可以改變材料的化學性質，為了了解材料表面的反應過程并改善物質性能，有必要知道表面的原子排列結構。盡管有很多方法了解材料平面的相關信息，但是對于粗糙表面，獲取信息的途徑卻是有限的。

　論文的另一作者、布魯克黑文國家實驗室科學家Zhu表示：高分辨率掃描電子顯微鏡技術的優點是，我們可以同時對原子表面和原子整體進行繪制，以往沒有一個方法能做到這一點，但我們的方法能夠做到。

　SEM是一種很好的技術，能夠研究材料表面，但通常提供的拓撲信息分辨率只能達到納米級。一種被稱為高分辨率掃描電子顯微鏡（high-resolution scanning electron microscopy,HRSEM）技術應用前景不可限量，它將掃描顯微鏡延伸到原子尺度，并同時提供原子的表面信息和原子整體信息的高清圖像，通過二次電子掃描，保留傳統掃描電子顯微鏡的大部分表面靈敏度。

    　圖片說明：一種被稱為高分辨率掃描電子顯微鏡技術應用前景不可限量，它將掃描顯微鏡延伸到原子尺度，并同時提供原子的表面信息和整體信息。圖片來源：phys.org
 

　二次電子是一個高度活躍的電子束撞擊材料并促使物質原子釋放能量（以電子而不是光子的形式）所致。由于大部分的二次電子由表面和原子整體發射，因此，它們是獲得有關原子表面結構信息的重要來源。但是， 高分辨率掃描電子顯微鏡的表面選擇性從來沒有得到充分利用。

　Ciston表示：盡管強大的工具已經被用了好幾年，由于無法直接分別解釋高分辨率掃描電子顯微鏡的表面和整體結構信息，材料科學應用進展依然緩慢，原因是缺乏充分發展的理論框架以原子尺度解釋掃描電子顯微鏡圖像形成原理。

　他指出，現有的二次電子圖像仿真方法必須擴展到考慮材料的價軌道（valence orbitals），以及價軌道生成信號的掃描效率。

　為了驗證新理論框架的有效性，Ciston, Allen, Marks以及他們的同事詳細收集和分析了一系列鈦酸鍶表面特定原子排列的高分辨率掃描電子顯微鏡圖像。這些實驗經過了仔細的二次電子圖像模擬，密度泛函理論計算，高分辨率透射電子顯微鏡的像差校正。

　Ciston表示：需要準確理解傳統的透射電子顯微鏡圖像，也需要借助傳統的透射電子顯微鏡圖像來證實我們的方法的結構和高分辨率電子掃描顯微鏡理論是正確的。總的來說，分析結果顯示，我們既能得到材料表面信息，也能得到原子整體信息。

　高分辨率掃描電子顯微鏡的運算結果和實驗結果之間高度吻合，表明這種顯微鏡對于確定表面結構來說是一個非常實用的工具，能解決表面信息或整體信息采集這個難題。從他們論證來看，之前關于鈦酸鍶原子表面結構呈6 x2周期性變化這個觀點是錯誤的，傳統技術未能檢測到氧化鈦表面高覆蓋率群體之間特殊的7倍協調關系。

　Ciston表示：我們通過調查研究材料開始了這項工作，但新技術太強大了，我們不得不修訂已經被認可的結論。

　Allen,澳大利亞墨爾本大學的一位科學家，領導了新成像技術的理論建模，他補充道：我們現在對圖像有了更加精確、更加全面的理解。

　也許，這種新的高分辨率掃描電子顯微鏡表面分析技術的第一個目標將針對納米粒子的表面結構。平面視圖表明，使用電子顯微鏡對納米顆粒表面結構進行成像極具挑戰性，正如Ciston所說，這正是需要改善的地方。

　他說道：平面幾何很重要，因為表面結構經常會涉及多個領域。這是一個非常具有挑戰性的問題，因為通常掃描探針技術不能以原子分辨率處理納米粒子的表面，而表面x射線衍射需要很大的單晶表面。

　Marks,美國西北大學（Northwestern University）材料科學與工程教授說道：我們非常興奮，這個方法可用來解決一些腐蝕性問題。工業和軍事腐蝕損耗巨大，我們需要了解一切，以便研制出更耐腐蝕的材料。

責任編輯：田雙

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