深度科學| 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：

“這種“一前一后”的排版頗具象征意義，兩項工作在同一期刊前后呼應(yīng)，也從不同層面構(gòu)建了AET方法學的“地基”和“框架”。Zuo et al.更側(cè)重于回答 “在什么實驗條件下可以做成”，通過系統(tǒng)限定樣品尺寸、成分復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不再只是概念驗證或個案展示，而是逐步發(fā)展為一套可標準化、可量化評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格重復的晶格規(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。當前，非晶材料已廣泛應(yīng)用于薄膜電子學、太陽能電池、相變存儲器、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），對現(xiàn)代信息社會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稱性這一根本特征，也給其結(jié)構(gòu)解析帶來了巨大挑戰(zhàn)。與晶體材料可以通過衍射技術(shù)精確確定原子位置不同，非晶材料無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，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、散射實驗和計算模擬等方面取得了重要進展，但要在實驗上定量獲得非晶材料中完整、真實的三維原子排布，仍然對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，有望從根本上推動非晶材料結(jié)構(gòu)研究進入原子級、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Robert Busch，左建民（Jian-Min Zuo）團隊在Nature期刊發(fā)表題為“Limit of atomic-resolution-tomography reconstruction of amorphous nanoparticles”的研究論文。同時，加州大學洛杉磯分校Yuxuan Liao和 Jianwei Miao團隊在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)果為未來的實驗設(shè)計提供了基準，并可利用AET驗證非晶結(jié)構(gòu)。Miao et al.的研究對原子電子斷層掃描進行了定量分析，闡明了穩(wěn)健的圖像預(yù)處理、去噪、投影對準與歸一化、先進的斷層掃描重建、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，實現(xiàn)對非晶態(tài)材料中三維原子坐標和元素種類的可靠測定。

02

圖文解析

1.文獻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）研究背景與問題

盡管AET技術(shù)在測定非晶材料三維原子結(jié)構(gòu)方面展現(xiàn)出潛力，但對其在噪聲、電子劑量等現(xiàn)實實驗條件下的準確性和可靠性缺乏系統(tǒng)性的評估與界定。

（2）研究方法

通過模擬AET實驗，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)，以評估這些因素對原子定位精度和化學識別能力的影響。

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）下才能準確識別所有原子，位置精度在數(shù)十皮米量級。劑量降低或顆粒增大都會導致偽原子出現(xiàn)和定位精度下降。

2）化學識別：對于多元納米顆粒，化學識別能力高度依賴于信噪比。重原子（如Sn, Pt）較輕原子（如Si, Co）更易識別。當原子峰的強度與背景噪聲重疊時，會產(chǎn)生巨大的化學分析不確定性。該文獻模擬結(jié)果顯示，在類似條件下，對CoPdPt中Co的識別率僅為~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實驗設(shè)計提供了重要的基準和警示，強調(diào)了在解讀AET結(jié)果，特別是化學識別結(jié)果時，必須充分考慮實驗條件帶來的固有不確定性。

圖6.基于計算層析成像的化學識別

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

2.文獻2：Nature, 649, 1123-1129 (2026)

《非晶材料三維原子結(jié)構(gòu)的精確測定》

（1）研究背景與問題

AET技術(shù)流程復雜，每個環(huán)節(jié)的微小偏差都可能導致最終原子坐標和元素識別的系統(tǒng)性誤差。需要建立一個可靠、定量的工作流程來實現(xiàn)高保真的三維重建。

（2）研究方法

提出了一個集成的、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）。使用與前述文獻相同的模型納米顆粒進行模擬，但采用了更先進的模擬和重建方法，并進行了直接的“頭對頭”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別

（3）核心發(fā)現(xiàn)

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

2）高精度化學識別：對復雜的CoPdPt納米顆粒，實現(xiàn)了Co (95.1%), Pd (99.0%), Pt (100%)的高準確率元素識別，相應(yīng)的三維位置精度分別為29 pm, 12 pm, 6 pm。研究指出前述文獻結(jié)果不佳的主要原因在于投影未對準和強度歸一化不當。

3）pAET技術(shù)的優(yōu)勢：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：該研究確立了實現(xiàn)精確AET的實用指南和定量基準，證明了通過系統(tǒng)性的流程優(yōu)化，AET能夠可靠地測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)

這兩篇文獻圍繞“原子級電子斷層成像技術(shù)測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，形成了一場精彩的學術(shù)對話。兩篇文獻的本質(zhì)區(qū)別在于視角和側(cè)重點。文獻1如同一個“質(zhì)檢員”，嚴謹?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源。文獻2則如同一個“工程師”，致力于改進工藝流程，展示如何通過技術(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.

聲明：

1. 版權(quán)：推送內(nèi)容僅供學習交流分享使用，無任何商業(yè)用途，如有侵權(quán)，請聯(lián)系后臺刪除或修改，感謝支持。

2. 投稿：非常歡迎各位老師在公眾號上介紹課題組前沿或經(jīng)典研究成果！后臺或郵箱聯(lián)系即可！