深度科學(xué)| 非晶材料的原子分辨層析成像（AET）表征，背靠背2篇Nature正刊！

編者語(yǔ)：

“這種“一前一后”的排版頗具象征意義，兩項(xiàng)工作在同一期刊前后呼應(yīng)，也從不同層面構(gòu)建了AET方法學(xué)的“地基”和“框架”。Zuo et al.更側(cè)重于回答 “在什么實(shí)驗(yàn)條件下可以做成”，通過(guò)系統(tǒng)限定樣品尺寸、成分復(fù)雜度以及電子束劑量與采樣密度，明確了AET從“可行”到“可靠”的物理邊界；而Miao et al.則進(jìn)一步回答了“如何把數(shù)據(jù)真正用好”，從算法與流程層面給出了可復(fù)制、可推廣的完整解決方案。二者結(jié)合，使AET不再只是概念驗(yàn)證或個(gè)案展示，而是逐步發(fā)展為一套可標(biāo)準(zhǔn)化、可量化評(píng)估誤差的三維原子表征技術(shù)。”

01

背景介紹

非晶材料（Amorphous materials，缺乏長(zhǎng)程周期性有序結(jié)構(gòu)的固體體系），其原子排列不遵循晶體材料中嚴(yán)格重復(fù)的晶格規(guī)則，卻往往在短程和中程尺度上保留一定的局域有序特征。正是這種“無(wú)序而不雜亂”的結(jié)構(gòu)，使非晶材料在眾多關(guān)鍵技術(shù)中展現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，非晶材料已廣泛應(yīng)用于薄膜電子學(xué)、太陽(yáng)能電池、相變存儲(chǔ)器、磁性器件、醫(yī)療植入材料以及新興的量子信息技術(shù)等領(lǐng)域（圖1），對(duì)現(xiàn)代信息社會(huì)和高端制造起著基礎(chǔ)性支撐作用。

圖1. 非晶材料的應(yīng)用

然而，非晶材料缺乏平移對(duì)稱性這一根本特征，也給其結(jié)構(gòu)解析帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。與晶體材料可以通過(guò)衍射技術(shù)精確確定原子位置不同，非晶材料無(wú)法依賴布拉格衍射在原子分辨率上直接重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)（圖2），這在很大程度上制約了人們對(duì)其結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的深入理解。

圖2. 晶體材料和非晶材料的結(jié)構(gòu)和表征技術(shù)(AI)

近年來(lái)，圍繞非晶材料的短程有序和中程有序結(jié)構(gòu)，研究者在理論模型、散射實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模擬等方面取得了重要進(jìn)展，但要在實(shí)驗(yàn)上定量獲得非晶材料中完整、真實(shí)的三維原子排布，仍然對(duì)表征手段提出了極高要求。在這一背景下，原子分辨層析成像（Atomic Electron Tomography, AET；圖3）作為一種新興的結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，為非晶材料的三維原子圖譜繪制提供了直接而可行的途徑，有望從根本上推動(dòng)非晶材料結(jié)構(gòu)研究進(jìn)入原子級(jí)、三維化和定量化的新階段。

圖3. AET技術(shù)的原理示意圖

2026年01月28日，伊利諾伊大學(xué)Robert Busch，左建民（Jian-Min Zuo）團(tuán)隊(duì)在Nature期刊發(fā)表題為“Limit of atomic-resolution-tomography reconstruction of amorphous nanoparticles”的研究論文。同時(shí)，加州大學(xué)洛杉磯分校Yuxuan Liao和 Jianwei Miao團(tuán)隊(duì)在Nature期刊發(fā)背靠背表題為“Accurate determination of the 3D atomic structure of amorphous materials”的研究論文。Zuo et al.的研究明確了適用于原子分辨層析成像AET的納米粒子尺寸、組成、電子通量及圖像采樣要求。該研究結(jié)果為未來(lái)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了基準(zhǔn)，并可利用AET驗(yàn)證非晶結(jié)構(gòu)。Miao et al.的研究對(duì)原子電子斷層掃描進(jìn)行了定量分析，闡明了穩(wěn)健的圖像預(yù)處理、去噪、投影對(duì)準(zhǔn)與歸一化、先進(jìn)的斷層掃描重建、原子追蹤、元素分類以及原子位置精修等步驟如何協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)非晶態(tài)材料中三維原子坐標(biāo)和元素種類的可靠測(cè)定。

02

圖文解析

1.文獻(xiàn)1：Nature, 649, 1119-1122 (2026)

《非晶納米顆粒原子分辨率斷層掃描重建的極限》

（1）研究背景與問(wèn)題

盡管AET技術(shù)在測(cè)定非晶材料三維原子結(jié)構(gòu)方面展現(xiàn)出潛力，但對(duì)其在噪聲、電子劑量等現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件下的準(zhǔn)確性和可靠性缺乏系統(tǒng)性的評(píng)估與界定。

（2）研究方法

通過(guò)模擬AET實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)性地改變了非晶納米顆粒（從單質(zhì)Si到多元SiGeSn、CoPdPt）的尺寸、成分、電子劑量和圖像采樣參數(shù)，以評(píng)估這些因素對(duì)原子定位精度和化學(xué)識(shí)別能力的影響。

圖4. 兩種入射電子通量條件下，小尺寸非晶硅納米粒子的重建效果

圖5. 計(jì)算層析成像質(zhì)量，隨電子通量與納米粒子尺寸變化關(guān)系

（3）核心發(fā)現(xiàn)

1）原子定位：對(duì)于單質(zhì)非晶硅納米顆粒，只有在高電子劑量（如1.6×105e-/?2）下才能準(zhǔn)確識(shí)別所有原子，位置精度在數(shù)十皮米量級(jí)。劑量降低或顆粒增大都會(huì)導(dǎo)致偽原子出現(xiàn)和定位精度下降。

2）化學(xué)識(shí)別：對(duì)于多元納米顆粒，化學(xué)識(shí)別能力高度依賴于信噪比。重原子（如Sn, Pt）較輕原子（如Si, Co）更易識(shí)別。當(dāng)原子峰的強(qiáng)度與背景噪聲重疊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的化學(xué)分析不確定性。該文獻(xiàn)模擬結(jié)果顯示，在類似條件下，對(duì)CoPdPt中Co的識(shí)別率僅為~40%。

3）技術(shù)要求：研究明確了成功AET所需的條件，包括樣品尺寸需與顯微鏡景深匹配、減少缺失楔效應(yīng)、滿足最低電子劑量和圖像采樣要求等。

4）意義：該研究為AET實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了重要的基準(zhǔn)和警示，強(qiáng)調(diào)了在解讀AET結(jié)果，特別是化學(xué)識(shí)別結(jié)果時(shí)，必須充分考慮實(shí)驗(yàn)條件帶來(lái)的固有不確定性。

圖6.基于計(jì)算層析成像的化學(xué)識(shí)別

圖7. 圖像信息容量與深度（層級(jí)數(shù) NL）的測(cè)量及其相互關(guān)系

2.文獻(xiàn)2：Nature, 649, 1123-1129 (2026)

《非晶材料三維原子結(jié)構(gòu)的精確測(cè)定》

（1）研究背景與問(wèn)題

AET技術(shù)流程復(fù)雜，每個(gè)環(huán)節(jié)的微小偏差都可能導(dǎo)致最終原子坐標(biāo)和元素識(shí)別的系統(tǒng)性誤差。需要建立一個(gè)可靠、定量的工作流程來(lái)實(shí)現(xiàn)高保真的三維重建。

（2）研究方法

提出了一個(gè)集成的、優(yōu)化的AET工作流程，包括穩(wěn)健的圖像預(yù)處理與去噪、先進(jìn)的RESIRE斷層重建算法、系統(tǒng)的后處理（原子追蹤、元素分類、位置優(yōu)化）。使用與前述文獻(xiàn)相同的模型納米顆粒進(jìn)行模擬，但采用了更先進(jìn)的模擬和重建方法，并進(jìn)行了直接的“頭對(duì)頭”比較。

圖8. 208-原子和19,993-原子非晶硅納米粒子的三維重建與原子追蹤

圖9. 13,982-原子非晶硅鍺錫納米粒子的三維原子定位與元素識(shí)別

（3）核心發(fā)現(xiàn)

1）性能顯著提升：其工作流程在原子識(shí)別率和三維位置精度上大幅優(yōu)于前述文獻(xiàn)中報(bào)道的方法。例如，對(duì)于208個(gè)原子的非晶Si顆粒，在相同劑量下，其位置精度（5皮米）比前述文獻(xiàn)的結(jié)果提升了一倍以上。

2）高精度化學(xué)識(shí)別：對(duì)復(fù)雜的CoPdPt納米顆粒，實(shí)現(xiàn)了Co (95.1%), Pd (99.0%), Pt (100%)的高準(zhǔn)確率元素識(shí)別，相應(yīng)的三維位置精度分別為29 pm, 12 pm, 6 pm。研究指出前述文獻(xiàn)結(jié)果不佳的主要原因在于投影未對(duì)準(zhǔn)和強(qiáng)度歸一化不當(dāng)。

3）pAET技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：展示了基于電子疊層衍射的pAET技術(shù)具有更高的劑量效率，在低劑量下也能成功解析輕元素非晶SiO2的原子結(jié)構(gòu)和中程有序（如原子環(huán)分布）。

4）意義：該研究確立了實(shí)現(xiàn)精確AET的實(shí)用指南和定量基準(zhǔn)，證明了通過(guò)系統(tǒng)性的流程優(yōu)化，AET能夠可靠地測(cè)定非晶材料的三維原子結(jié)構(gòu)，并將該技術(shù)的應(yīng)用潛力提升到了新的高度。

圖10. 18,356-原子非晶鈷鈀鉑納米粒子的三維原子定位與元素識(shí)別。

圖11. 原子分辨層析成像pAET（劑量為1.6×103電子/平方埃）重建的7,704原子非晶二氧化硅納米粒子的三維原子結(jié)構(gòu)與中程有序

03

總結(jié)

這兩篇文獻(xiàn)圍繞“原子級(jí)電子斷層成像技術(shù)測(cè)定非晶材料三維原子結(jié)構(gòu)”這一前沿課題，在同一期雜志上發(fā)表研究成果，形成了一場(chǎng)精彩的學(xué)術(shù)對(duì)話。兩篇文獻(xiàn)的本質(zhì)區(qū)別在于視角和側(cè)重點(diǎn)。文獻(xiàn)1如同一個(gè)“質(zhì)檢員”，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貏澇鯝ET技術(shù)的“安全操作紅線”，警示研究者注意其局限性和誤差來(lái)源。文獻(xiàn)2則如同一個(gè)“工程師”，致力于改進(jìn)工藝流程，展示如何通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新將AET的性能推向極致。二者共同勾勒出該技術(shù)領(lǐng)域的全貌：既有令人振奮的潛力，也有必須正視的挑戰(zhàn)。

文獻(xiàn)信息

1. Robert Busch, Peter Rez, Michael M. J. Treacy & Jian-Min Zuo, Limit of atomic-resolution-tomography reconstruction of amorphous nanoparticles, Nature, 2026, 649, 1119-1122.

2. Yuxuan Liao, Haozhi Sha, Colum M. O’Leary, Hanfeng Zhong, Yao Yang & Jianwei Miao, Accurate determination of the 3D atomic structure of amorphous materials, Nature, 2026, 649, 1123-1129.

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