突破丨1 mbar 气氛下仍达 0.5 信息分辨率——球差校正 ETEM 迈向原位/工况原子分辨

近日，丹麦技术大学（DTU）VISION 团队联合 Thermo Fisher Scientific 等合作者在《Ultramicroscopy》发表研究，系统评估并展示了球差校正环境透射电子显微镜（ETEM）平台：当在样品区引入 1 mbar 气氛（以 N₂为例）时，仍可保持 0.5 ?（50 pm）的信息分辨率。

• 0.5 ? 分辨率不再是“高真空专属”：在 300 kV 下，1 mbar N₂ 环境仍可达到 0.5 ? 信息分辨率。

• 定量模式可用：在低总剂量条件下完成系列欠焦像采集与出射波相位重构。

• 捕捉到“表面差异信号”：1 mbar N₂下观察到 Au(111) 表面第一排原子柱出现更明显的“局部展宽”。

• 面向真实过程：对催化、晶体生长、腐蚀等典型气-固界面过程的原子尺度机理研究具有直接推动作用。

目前，随着像差校正器、单色器、探测器以及机械稳定性的持续进步，TEM 在高真空条件下已可稳定达到约 0.5 ? 的分辨率，具备原子尺度高分辨成像能力。但许多关键过程（如催化反应、表面重构、氧化还原、腐蚀与晶体生长）发生在气体参与的真实环境中。因此，一个长期关键问题是：在 mbar 级气体环境中，能否仍保持约 0.5 ? 的信息分辨率？如果答案是肯定的，就意味着我们能在更接近真实反应条件下，对纳米材料动力学进行原子尺度的直接观察。

在 300 kV 下，研究者对比了在两种条件：高真空（0 mbar N₂，约 8×10^-7 mbar）和1 mbar N₂ 下的杨氏干涉实验。结果表明：两种情况下 FFT 中的干涉条纹均可延伸至 1/(0.5 ?)，从而确认在 1 mbar 气氛中仍能保持 0.5 ? 信息分辨率。此外，杨氏干涉实验特意采用低剂量率（约 1200 e/?²/s）和低总剂量(约 19200 e/?²)的方式以抑制电子束-气体-样品的相互作用。

图1. 在 0 mbar N₂下， X(a)和Y(b)方向的杨氏干涉条纹；在1 mbar N₂下， X(c)和Y(d)方向的杨氏干涉条纹。

研究者进一步通过系列欠焦像采集与出射波相位重构，对纳米晶 Au 的 (111) 表面原子柱宽度进行分析。结果表面：0 mbar N₂下，Au (111)表面第一排/第二排原子柱平均宽度几乎一致；而1 mbar N₂下第一排原子柱明显变宽。作者指出，除拟合精度、支撑碳膜厚度不均匀等因素外，这种“在气氛下出现的清晰的原子表面局部展宽”也可能是电子束-气体-样品相互作用的早期迹象，而这正是原位/工况 TEM 研究中需要被定量捕捉与区分的信号类型。在两种气氛条件下，研究者分别使用 47 张与 63 张图像重构出射波，使总剂量与杨氏干涉实验相当（约 18700 e/?²）。

图2. 纳米晶金样品出射波相位重构分析。(a-d) 0 mbar N₂下；(e-h)1 mbar N₂下。

论文结论指出：球差校正环境透射电子显微镜ETEM平台，在样品区引入 1 mbar气氛时，可实现0.5 ?（50 pm）信息分辨率。同时，平台稳定性使得出射波重构等定量模式在气氛条件下可稳定运行，为捕捉表面原子动态、识别气-固界面微弱结构差异提供了可操作、可量化的路径，对催化、晶体生长、腐蚀等气-固界面过程的原子尺度机制研究具有直接推动作用。

值得一提的是，本研究采用的球差校正环境透射电子显微镜(ETEM)正随着设备升级不断突破极限。最新一代球差校正环境透射电子显微镜，凭借以下革新设计，成为催化研究的利器：

参考文献：

Idan Biran et al. Open gas-cell transmission electron microscopy at 0.5 ? information limit. Ultramicroscopy 282 (2026) 114328. DOI：10.1016/j.ultramic.2026.114328