透射电子显微镜（TEM）中的叠层成像时刻基于探伤大宗由电子束探针扫描样品时产生的衍射图案。与传统的衍射履行不同日本 男同，在传统的衍射履行中，散射电子束的相位信息会丢失，通过扫描总计这个词样品并记载衍射图案，反演分析不错重建电子束的复振幅，最终详情原子位置。

淌若电子束探针抓续变小，就不错远小于散射体之间的距离，那么衍射黑点也会变宽并相互干预(见图1)。分析这种干预信号不错索求更多信息，如界说物感性质的原子核位置和电子结构的微小细节，并梗概可视化电场、轨说念排序、铁电行径，致使可能是局部自旋的微小细节。

叠层成像和筹谋时刻有望透顶改变电子显微镜鸿沟，就像它们在X射线晶体学中所作念的那样，以及像像差考订对成像所已毕的那样，前提是梗概克服一些要道挑战。

这一机遇接续了自20世纪30年代发明透射电镜以来发生的创新，将衍射看法从宏不雅晶体的X射线参谋彭胀到纳米圭臬体积。扫描透射电镜(STEM)的发展，止境STEM中的像差考订，提供了原子大小尺寸的聚焦电子束进行平直原子成像的后劲。因此，昔日20年里，STEM在凝华态物理和材料科学中的应用呈爆炸性增长。值得顾惜的是，Z衬度成像形状的可用性提供了一种相对容易解释图像的步调，其中衬度度最大值不错平直与原子核的位置筹谋联。

尽管原子的平直成像取得了这些融会，但通过在STEM中探伤积存束电子衍射(CBED)图案，也称为"Ronchigram"(以在光学鸿沟始创访佛时刻的Vasco Ronchi定名)，产生了根人道的新机遇。在这种情况下，电子探针的尺寸不错小于原子核之间的距离，这从传统物理学角度来看是一种悖论，因为衍射频繁被合计是一种非局域效应，只取决于散射体之间的间距。

图1中阐述了Ronchigram演化的过程。由此产生的图案包含了对于电子束面貌以及材料结构(原子核位置)和里面电场和磁场的微小细节的信息。在通例图像的每个位置记载这些图案，生成一个意念念的多维数据集，频繁称为四维(4D)STEM，为分析开辟了几条新路线。

图1 责问电子束与样品的衍射体积

当电子束探伤的材料体积减小时，衍射图样会发生变化。淌若在多个位置进行测量况且已知真的的电子探针面貌，亚原子衍射图样可用于详情局部结构和散射势（因此也包括局部电场）的微小细节。Pushing the limits of electron ptychography

叠层成像时刻领先由Hoppe在20世纪60年代提议，与密切筹谋的全息术通常，它领先被筹算用来克服由透镜像差引起的电子显微镜诀别率放胆。对于扫描透射电子显微镜(STEM)，叠层成像的后劲在20世纪90年代运转被Rodenburg过甚多位协作家意识到，但宽泛应用还需比及富有深广的相机、计较机和用于数据分析的迭代算法得到诱骗和完善。当Shibata使用分段探伤器讲解STEM中的差分相位衬度不错以原子诀别率传递局部电场信息时，这些成像形状的潜在应用范围进一步扩大。

尽管通过这些步调已毕了原子诀别率，但像差考订仍然至关弥留，最高灵巧度仍将取决于电镜竖立的优化。鉴于最近 STEM 中多维数据汇集的兴起，这既获利于像素化探伤器的出现，又获利于对行将到来的物理学冲破的预期，淌若要宽泛选拔这些成像步调，需要探求濒临的挑战

数据蒙胧量和存储是必须探求的要道成分。当代高诀别率STEM中干系束电流的灵验估值约为几(十)皮安。在32 pA时，相配于每秒2亿个电子，为每个电子记载探针位置和散射场地将每秒产生约1GB的数据。这个数据量与当代相机时刻相匹配，均匀散布在约每秒50帧的400万像素相机上，平均每个像素约1个电子。目下大多数处理使命经由的第一步是通过对位置或角度进行积分，将数据缩减到更易经管的大小。

挑战在于将这种大范围数据流压缩成仅包含探伤器端灵验的信息，和/或诱骗梗概拿获和存储这些数据量的基础法度。固然这些问题在高能物理、天文体和散射鸿沟已得到很好的贬责，但它们仍需在STEM鸿沟得到应用。

另一个探求成分是，即使是经过像差考订的探针面貌，仍然存在残余的非圆形像差，况且可能不在梦想位置。与传统成像不同，空间不干系性不可通过浮浅的卷积在过后添加，而必须通过在稍许不同位置拍摄的CBED图案的非干系叠加来包含。对于低电压（频繁用于二维材料），时候不干系性的影响将使分析变得复杂。这一探求极为弥留，因为Ronchigram图既由电子束面貌决定，也由材料中的结构畸变决定，因此唯有通过零丁探求电子束面貌，才智量化基本物理旨趣。

即使对于梦想的电子束面貌，详情样品结构也需要越来越复杂的表面模子。对于富有薄的样品，不错使用浮浅的迭代叠层成像法来详情投影势，其中多样近似（如假定物体对电子波前唯有小影响）是合理的。差分相位衬度（Differential phase contrast）允许测量局部电场，对于富有薄的样品，这也不错与散射势筹谋联。但是，与较厚样品筹谋的多重散射的量子力学反演极其复杂。非弹性散射（primarily plasmons）进一步改变了CBED图案，使情况愈加复杂。检测不同离焦或样品歪斜条目下的CBED图案是贬责这个问题的一种步调；但是，数据的维度和筹谋挑战进一步加多。

目下，一个端庄的贬责决议需要一个界阐述确的履行参数，即样品厚度、探针参数、像差、不干系性和其他参数。把稳的（前向散射）模子结构模拟需要密度泛函表面的模子结构，以及将计较得到的电子密度准确调度为散射势的步调。有了这些，并统一生成多个数据集的自动化使命经由，使用深度学习反演算法就成为可能。一般情况下需要这些才智，因为真确的冲破将出当今履行结果与预期模子不同的地方。

亚原子衍射或4DSTEM成像为参谋固体的原子圭臬功能（无序、铁电畸变以及场和轨说念结构）提供了一个窗口，不错不雅察到单个结构单位的水平。要快速已毕这一契机，需要启动跨学科参谋奋力，统一电子显微镜、数据分析和图像分析以及机器学习，止境怜惜像差考订建设中的图像酿成机制。

追想

电子叠层衍射成像是一种基于干系衍射成像的先进电子显微时刻日本 男同。它统一了STEM的空间诀别才智和干系衍射成像的高诀别率特色。这种步调通过记载和分析样品的多个重复衍射图案来重建样品的复杂波函数（包括振幅和相位）。

电子叠层衍射成像时刻（ptychography）的发展正在鞭策透射电镜（TEM）的篡改性融会。通过扫描样品并记载大宗衍射图案，ptychography时刻不错重建复杂的波幅和原子位置。这种步调不仅能提供原子核位置和电子结构的微小细节，还不错可视化电场、轨说念排序和铁电行径等眇小特征。尽管濒临数据蒙胧量、存储和表面模子复杂性等挑战，但ptychography及筹谋时刻有望像在X射线晶体学中通常，透顶改变电子显微镜鸿沟。

已毕ptychography的要道

a) 干系电子源：频繁使用场辐射电子枪以赢得高干系性的电子束。

b) 高精度扫描系统：需要精准秩序电子束的位置，频繁精度在埃级别。

c) 高灵巧度探伤器：如平直电子探伤器记载衍射图案，需要高动态范围和快速读出速率。

d) 相位还原算法：如彭胀的Ptychographical迭代引擎（ePIE）、差分相位对比度（DPC）等。

e) 高性能计较：处理大宗数据和推论复杂算法，频繁需要GPU加快。

ptychography上风

a) 超高诀别率：可达到亚埃级诀别率，冲破了传统电子显微镜的衍射极限。

b) 相位敏锐：梗概获取样品的相位信息，提供更多结构细节，止境是对轻元素敏锐。

c) 低剂量成像：比拟传统TEM，不错在更低的电子剂量下赢得高质地图像，适用于辐射敏锐样品。

d) 厚样品成像：不错成像更厚的样品，彭胀了电子显微镜的应用范围。

e) 考订像差：通过计较步调考订透镜像差，减少对富贵硬件的依赖。

f) 定量成像：提供样品的定量相位和振幅信息。

ptychography应用鸿沟

a) 材料科学：参谋晶体结构、过失、界面、应力散布、深度诀别率等。

b) 生物学：低剂量下不雅察生物样品的淡雅结构，如卵白质复合物。

c) 半导体工业：检测纳米级器件结构和过失。

d) 催化剂参谋：不雅察催化剂的原子级结构和活性位点。

e) 二维材料：参谋如石墨烯、过渡金属二硫化物等二维材料的原子结构。

f) 磁性材料：通过电子全息术参谋纳米圭臬磁场散布。

ptychography的时刻挑战

a) 数据处理：需要处理海量数据（频繁在TB级别），对计较资源要求高。

b) 算法复杂性：相位还原算法复杂，可能存在敛迹问题或局部最小值陷坑。

c) 样品漂移：万古候扫描过程中样品可能发生漂移，影响图像质地。

d) 辐射损害：尽管剂量较低，但仍需探求电子辐射对样品的影响，止境是对生物样品。

e)时候诀别率：获取好意思满的ptychographic图像需较万古候，放胆了对动态过程的不雅察。

ptychography的最新融会

a) 及时处理：诱骗及时数据处理和图像重建时刻，裁汰成像时候。

b) 机器学习集成：哄骗AI优化相位还原算法和图像重建过程，进步效果和准确性。

c) 多模态成像：统一其他成像时刻，如电子能量亏损谱（EELS）或X射线能谱（EDS），获取更全面的样品信息。

d) 原位履行：发展原位电子叠层衍射成像时刻，不雅察材料在多样条目下的动态变化过程。

e) 3D成像：通过倾转样品获取不同角度的ptychographic数据，已毕三维重建。

起首于老千和他的一又友们，作家孙千

日本 男同