清华大学于荣团队发明了百万原子级的三维重构方法

世界是三维的，但人们记录的图像总是二维的。恢复失去的维度是显微学的重要目标。随着像差校正电子显微镜和先进的重构算法的发展，层析成像技术已能对晶体或非晶材料实现原子分辨的三维重构。然而，目前原子分辨层析成像（atomic electron tomography, AET）仅能对数万个原子的小尺寸物体进行三维重构，而且原子位置精度较低。如何重构更大尺寸物体，获得更高精度，是三维结构分析的难题。

近期，清华大学材料学院于荣团队结合层析成像与深度切片，提出了一种称为多切片局域轨道层析成像（multiple-section local-orbital tomography）的方法，简称nLOT，将可重构物体尺寸提高到百万原子，而且在三个空间维度上都具有高空间分辨率和高定位精度。相关研究成果以“3D reconstruction of a million atoms by multiple-section local-orbital tomography”为题发表于Science Bulletin。

传统的层析成像技术在每个倾斜角度只采集物体的正焦图像，以确保获得最佳图像。nLOT采用了一种新的数据采集方法，在每个倾斜角度采集具有不同离焦量的多幅图像，但减少倾转角度的数目，如图1所示。这些图像的离焦量并不需要等间隔分布，而是大致分布在物体的整个深度范围内即可。在总剂量不变的情况下，显著减少了层析成像实验的流程和采集时间。

图1. nLOT示意图。(a) nLOT在每个角度获取不同离焦量的n幅图像。(b) 电子束在不同深度的切片。

nLOT将电子束与物体之间的相互作用描述为电子束与物体不同深度切片的卷积，nLOT通过像素化优化的方法实现电子束与物体的解耦。重构时不需要输入图像的精确离焦量，所有倾斜角度下的所有深度切片图像均初始化为正焦条件。图2显示了nLOT优化的电子束的深度切片图。电子束展宽最小的深度与真实离焦量吻合，表明nLOT不依赖于初始离焦量，简化了实验流程。

图2. 通过nLOT重构的电子束。(a)初始化时电子束的深度切片。(b)-(d)优化后的电子束深度切片，分别对应于切片1-切片3。红色线框表示电子束展宽最小的切片。

重构结果的位置精度如图3所示。可以看出，位置精度与原子数大约呈线性关系。nLOT的斜率明显小于其它几种单切片层析成像方法。即使对于由100万个原子组成的模型，nLOT重构得到的位置精度也达到了6.6 pm。对这种尺寸，单切片层析成像（直接投影、刚性DDI、自适应DDI）早已无法得到可靠的重构结果。

图3. 模型重构结果的位置精度。虚线是原子位置精度与原子个数的线性拟合。直接投影、刚性DDI、自适应DDI和nLOT的斜率分别为105、26、23和4.4 pm/百万原子。

简而言之，作者提出并实现了多切片局域轨道层析成像方法（nLOT），通过将电子束与图像解耦，nLOT充分利用了深度切片图像中蕴含的物体各深度的信息，打破了传统单切片层析成像中景深对重构物体大小的限制，并允许使用更少的倾斜角。nLOT方法使大尺寸物体的高精度三维重构成为可能，将对材料微观结构分析带来深远的影响。

清华大学材料学院2019级博士生毛梁泽和2019级博士生崔吉哲为论文共同第一作者，于荣教授为通讯作者。该论文得到国家自然科学基金基础科学中心项目的支持。