扫描电子显微镜的历史漫长而光荣，高分辨率扫描电子显微镜使得材料表面的独特原子结构成像首次得以解决。这个历史性的科学突破由多家机构的研究人员共同研发，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（DOEs Lawrence Berkeley National Laboratory ，Berkeley Lab）的科学家也参与其中。
 
国家电子显微镜中心分子实验室（美国能源部用户科学设备办公室）的工作者Jim Ciston表示：我们已经研发出一种合理的直接法确定表面的原子结构，还能解决埋入界面这个挑战性难题。虽然物质中，表面原子占总数的极小部分，但正是这些原子驱动大部分材料与环境发生化学相互作用。
 
描述这个新方法的论文发表在Nature Communications上，Ciston是该论文的首要作者，论文题目为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。
 图片说明：一种被称为高分辨率扫描电子显微镜技术应用前景不可限量，
它将扫描显微镜延伸到原子尺度，并同时提供原子表面信息和原子整体信息的高清图像。
 
大多数物质通过表面与其他物质接触，大部分材料的结构和化学性质都不同。大多数重要的反应发生在物体表面，无论是利用催化剂从阳光和二氧化碳中获得高能量燃料，还是桥梁和飞机外表生锈都是如此。
 
Ciston表示：从本质上讲，每一种材料的表面就是其自身的纳米材料涂层，材料外表可以改变材料的化学性质，为了了解材料表面的反应过程并改善物质性能，有必要知道表面的原子排列结构。尽管有很多方法了解材料平面的相关信息，但是对于粗糙表面，获取信息的途径却是有限的。
 
论文的另一作者、布鲁克黑文国家实验室科学家Yimei Zhu表示：高分辨率扫描电子显微镜技术的优点是，我们可以同时对原子表面和原子整体进行绘制，时至今日还没有一个方法能做到这一点，但我们的方法能够做到。
 
SEM是一种很好的技术，能够研究材料表面，但通常提供的拓扑信息分辨率只能达到纳米级。一种被称为高分辨率扫描电子显微镜（high-resolution scanning electron microscopy，HRSEM）技术应用前景不可限量，它将扫描显微镜延伸到原子尺度，并同时提供原子的表面信息和原子整体信息的高清图像，通过二次电子扫描，保留传统扫描电子显微镜的大部分表面灵敏度。
 
图片说明：一种被称为高分辨率扫描电子显微镜技术应用前景不可限量，
它将扫描显微镜延伸到原子尺度，并同时提供原子的表面信息和整体信息。
 
二次电子是一个高度活跃的电子束撞击材料并促使物质原子释放能量（以电子而不是光子的形式）所致。由于大部分的二次电子由表面和原子整体发射，因此，它们是获得有关原子表面结构信息的重要来源；但是， 高分辨率扫描电子显微镜的表面选择性从来没有得到充分利用。
 
Ciston表示：尽管强大的工具已经被用了好几年，由于无法直接分别解释高分辨率扫描电子显微镜的表面和整体结构信息，材料科学应用进展依然缓慢，原因是缺乏充分发展的理论框架以原子尺度解释扫描电子显微镜图像形成原理。他指出，现有的二次电子图像仿真方法必须扩展到考虑材料的价轨道（valence orbitals），以及价轨道生成信号的扫描效率。
 
为了验证新理论框架的有效性，Ciston,  Les Allen、Laurence Marks以及他们的同事详细收集和分析了一系列钛酸锶表面特定原子排列的高分辨率扫描电子显微镜图像。这些实验经过了仔细的二次电子图像模拟，密度泛函理论计算，高分辨率透射电子显微镜的像差校正。
 
Ciston表示：需要准确理解传统的透射电子显微镜图像，也需要借助传统的透射电子显微镜图像来证实我们的方法的结构和高分辨率电子扫描显微镜理论是正确的。总的来说，分析结果显示，我们既能得到材料表面信息，也能得到原子整体信息。
 
高分辨率扫描电子显微镜的运算结果和实验结果之间高度吻合，表明这种显微镜对于确定表面结构来说是一个非常实用的工具，能解决表面信息或整体信息采集这个难题。从他们论证来看，之前关于钛酸锶原子表面结构呈6 x2周期性变化这个观点是错误的，传统技术未能检测到氧化钛表面高覆盖率群体之间特殊的7倍协调关系。
 
Ciston表示：我们通过调查研究材料开始了这项工作，但新技术太强大了，我们不得不修订已经被认可的结论。
 
作者Les Allen,澳大利亚墨尔本大学的一位科学家，领导了新成像技术的理论建模，他补充道：我们现在对图像有了更加精确、更加全面的理解。
 
也许，这种新的高分辨率扫描电子显微镜表面分析技术的第一个目标将针对纳米粒子的表面结构。平面视图（见上图）表明，使用电子显微镜对纳米颗粒表面结构进行成像极具挑战性，正如Ciston所说，这正是需要改善的地方。他说道：平面几何很重要，因为表面结构经常会涉及多个领域。这是一个非常具有挑战性的问题，因为通常扫描探针技术不能以原子分辨率处理纳米粒子的表面，而表面x射线衍射需要很大的单晶表面。
 
作者Laurence Marks是美国西北大学（Northwestern University）材料科学与工程教授，他表示：我们非常兴奋，这个方法可用来解决一些腐蚀性问题。工业和军事腐蚀损耗巨大，我们需要了解一切，以便研制出更耐腐蚀的材料。


来源：科学之家