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　　該研究成果針對現(xiàn)有原子分辨率低劑量成像技術(shù)的不足，將低劑量成像技術(shù)中的樣品傾轉(zhuǎn)和電子計量控制方法運用于疊層衍射，在幾十納米厚的多種沸石分子篩中實現(xiàn)了優(yōu)于1 ?的橫向分辨率和~6.6 nm的縱向分辨率。豐富的三維結(jié)構(gòu)信息使深入探究氧空位分布、孔道分子構(gòu)型和納米疇界面結(jié)構(gòu)等局域結(jié)構(gòu)及成分特征成為可能。由于沸石分子篩是石油化工行業(yè)中最重要的固體催化劑之一，低劑量成像技術(shù)的突破將有助于更深入地探究其構(gòu)效關(guān)系，加速催化劑的研發(fā)。

論文發(fā)表頁面

　　沸石分子篩在吸附、分離、催化等眾多領(lǐng)域有著廣泛應用，其性能深受局域結(jié)構(gòu)和成分不均勻性的影響。實空間高分辨率成像技術(shù)如透射電子顯微術(shù)（TEM）是揭示非均質(zhì)局部結(jié)構(gòu)的最直接的手段。但是由于對電子輻照的敏感性，沸石材料的TEM成像需要在較低的電子劑量下進行以避免結(jié)構(gòu)損傷。

　　當前可用的各種低劑量TEM成像技術(shù)有明顯的局限性。以新興的在沸石成像領(lǐng)域取得巨大成功的iDPC-STEM技術(shù)為例，其仍然具有以下局限性：第一，只有當樣品厚度在數(shù)個晶胞以內(nèi)（< 10 nm)，所得圖像才較好地反應其真實結(jié)構(gòu)，但如此薄的樣品在真實材料中極難獲得。隨著樣品厚度增加，不僅圖像分辨率會顯著下降，圖像也變得偏離結(jié)構(gòu)難以解釋。第二，與其他各種傳統(tǒng)TEM技術(shù)一樣，iDPC-STEM在樣品深度方向上不具備分辨能力。第三，iDPC-STEM要求會聚電子束精準聚焦在樣品才能實現(xiàn)原子級別的分辨率。對于沸石這樣較為敏感的材料，精準聚焦必須在極短的時間內(nèi)完成，否則聚焦過程就會損傷樣品結(jié)構(gòu)。因此，獲得高質(zhì)量圖像的成功率較低。

圖1. 具有不同厚度的ZSM-5樣品的iDPC-STEM成像與Ptychography成像

　　具體來說，作者首先通過圖像模擬對比了iDPC-STEM技術(shù)和Ptychography技術(shù)對樣品厚度的容忍度（圖1）。以ZSM-5的[010]帶軸為例，作者發(fā)現(xiàn)當樣品厚度超過10 nm時，iDPC-STEM圖像分辨率大大降低，甚至出現(xiàn)大幅偏離結(jié)構(gòu)的假襯度，不能反映真實的樣品結(jié)構(gòu)。與之不同，Ptychography圖像則展現(xiàn)了較好的厚度容忍性，即使在40 nm厚的樣品中仍能得到極高的分辨率與較好的襯度。用Ptychography得到的實驗圖像與模擬結(jié)果高度吻合，在~40 nm厚的ZSM-5分子篩中清晰區(qū)分開了T原子柱和O原子柱，并獲得了~0.85 ?的橫向分辨。需特別指出的是，實驗中作者只進行粗聚焦，避免了精細聚焦過程中電子束對樣品的破壞，成像時樣品處于離焦狀態(tài)。

圖2. 不同分子篩樣品以及孔道吸附有機分子的成像

　　作者在ZSM-5 [100]帶軸和EMM-17 [001]帶軸也得到了與結(jié)構(gòu)模型高度吻合的亞埃分辨率圖像（圖2）。此外，作者用該技術(shù)清楚地觀察到了吸附于ZSM-5直孔道中的有機分子（p-xylene），并發(fā)現(xiàn)吸附分子有不同的指向，體現(xiàn)了分子篩孔道中不同的化學環(huán)境以及主客體相互作用。

圖3. ZSM-5中氧空位的三維分布

　　由于T原子柱和O原子柱在Ptychography圖像中被清晰地區(qū)分開，作者對其強度進行了定量分析，分析發(fā)現(xiàn)樣品中存在O空位。作者用圖像模擬定出了可用于O空位識別的強度閾值，并應用于實驗數(shù)據(jù)，得到了ZSM-5中O空位的三維分布（圖3）。該方法得到的O空位含量與吡啶吸附方法測得的路易斯酸位點的數(shù)量基本相符。這對進一步研究沸石分子篩中酸性位點的分布具有重要意義。

圖4. MFI-MEL相界面原子結(jié)構(gòu)成像

　　ZSM-5（MFI）與ZSM-11（MEL）這兩種結(jié)構(gòu)相似的分子篩經(jīng)常共存，但學界對它們的共存狀態(tài)是混合還是共生仍不十分清楚，對其相界面結(jié)構(gòu)也知之甚少。作者借助Ptychography的超高分辨率成像能力，清晰解析了MFI-MEL相界面沿a軸、c軸方向的原子結(jié)構(gòu)，并建立了b軸方向的界面原子模型（圖4）。

圖5. 縱向分辨率

　　最后，作者分析了低劑量條件下，多層法Ptychography重構(gòu)的縱向分辨率（depth resolution）。計算表明，雖然Ptychography的橫向分辨率低于1 ?，但是其縱向分辨率只有~6.6 nm（圖5）。

　　通過對比Ptychogrpahy、 Optical Sectioning、Tomography等TEM三維成像技術(shù)，作者指出，低劑量Ptychography與Tomography相結(jié)合或?qū)⑦M一步提升縱向分辨率，真正實現(xiàn)低劑量下的原子分辨率三維結(jié)構(gòu)表征。（圖文/前沿軟物質(zhì)學院 電子顯微中心 廣州國際校區(qū)人力資源與發(fā)展事務辦公室 編輯/盧慶雷 孫彥東）

鏈接：

1.文章信息

　　Hui Zhang, Guanxing Li, Jiaxing Zhang, Daliang Zhang, Zhen Chen, Xiaona Liu, Peng Guo, Yihan Zhu, Cailing Chen, Lingmei Liu, Xinwen Guo, and Yu Han. Three-dimensional inhomogeneity of zeolite structure and composition revealed by electron ptychography.

Science, 2023, 380 (6645), 633-638. DOI: 10.1126/science.adg3183.

2.張輝教授簡介

　　張輝，現(xiàn)任職華南理工大學電子顯微中心/前沿軟物質(zhì)學院教授、博導。近年來他以第一/通訊作者在Science，Nature Materials，Chemistry of Materials，Acta Materialia，Journal of the European Ceramic Society 等期刊發(fā)文20余篇。研究方向包括：從高精度結(jié)構(gòu)表征出發(fā)，研究新型能源/催化材料的構(gòu)效關(guān)系；針對不耐電子輻照材料，開發(fā)具有廣泛應用前景的三維成像技術(shù)，實現(xiàn)碳、氧的精確可視化；研發(fā)在原子尺度調(diào)控結(jié)構(gòu)的新方法。