近年來(lái)，以Thermo Scientific? Falcon?為代表的直接電子探測(cè)相機(jī)（Direct Electron Detector, DED）憑借其高靈敏度、低噪聲等優(yōu)勢(shì)，為極低電子劑量下電子束敏感材料的高分辨TEM成像提供了新的解決方案。與CMOS以及CCD相機(jī)相比，DED相機(jī)最大的特點(diǎn)是不再使用通過(guò)閃爍體轉(zhuǎn)換電子信號(hào)為光子信號(hào)再耦合的間接探測(cè)方式，而是可以直接探測(cè)入射電子信號(hào)。因此，F(xiàn)alcon? DED相機(jī)具有高探測(cè)量子效率，允許其在極低電子劑量下來(lái)對(duì)電子束敏感材料的結(jié)構(gòu)直接成像。

直接電子探測(cè)相機(jī)在電子束敏感材料的高分辨成像中展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。其高靈敏度、低噪聲特性使得研究人員能夠在低劑量條件下獲得高質(zhì)量的圖像，從而減少電子束對(duì)樣品的損傷。隨著DED技術(shù)的不斷發(fā)展，其在材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。未來(lái)，結(jié)合人工智能，F(xiàn)alcon 4i DED相機(jī)有望在電子束敏感材料的成像和分析中發(fā)揮更大的作用。

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此外，賽默飛提出并發(fā)展了iDPC (integrated differential phase contrast, iDPC)這一全新的STEM成像模式^[7,8]。iDPC技術(shù)不僅能夠?qū)p、重元素同時(shí)成像^[7-9]，還可以在超低電子束劑量下實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束敏感材料的高分辨和高性噪比直接成像。iDPC還具有圖像易解讀的特點(diǎn)，是研究輕元素占位、二維材料、電子束敏感材料的有力工具。目前，iDPC成像技術(shù)已無(wú)縫集成在Thermo Scientific?? Spectra、Iliad 球差校正透射電鏡和Talos場(chǎng)發(fā)射透射電鏡上，實(shí)現(xiàn)了iDPC圖像的在線實(shí)時(shí)采集和顯示。

此外，Thermo Scientific?對(duì)STEM成像探頭進(jìn)行了技術(shù)革新，發(fā)布了全新的Panther STEM探頭。Thermo Scientific? Panther STEM 探頭是一種全新的16分割式探頭，包括一個(gè)8分割明場(chǎng)探頭和一個(gè)8分割環(huán)形暗場(chǎng)探頭，如圖3所示。該探頭具有先進(jìn)的STEM成像能力，多分割設(shè)計(jì)通過(guò)不同組合，可以收集不同的STEM信號(hào)，如iDPC、DPC、BF、HAADF、ABF 等（見圖3），因此可以獲得樣品幾乎所有的信息。此外Panther STEM探頭的信號(hào)經(jīng)過(guò)優(yōu)化和調(diào)整，具有測(cè)量單個(gè)電子的靈敏度，在極低電子束劑量下也能獲得具有非常高信噪比的圖像，非常適合對(duì)電子束敏感的材料成像。

當(dāng) iDPC-STEM 技術(shù)與新型靈敏的 Panther STEM 探測(cè)器相結(jié)合時(shí)，能夠以更低的電子劑量、更高的圖像信噪比和更高的分辨率來(lái)獲得更好的 iDPC 圖像，在電子束敏感的MOF材料表征應(yīng)用中有著廣闊的應(yīng)用前景。不僅可以觀察到MOF中的有機(jī)連接體、特征籠結(jié)構(gòu)等，還可以去研究MOF材料在實(shí)際應(yīng)用中更重要的非周期性局域結(jié)構(gòu)（如表面、界面和缺陷等）的原子排列，為在原子尺度下更好地理解MOF材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系提供了直接證據(jù)。

例如，圖 4 是在Spectra 300球差校正電鏡上使用Panther STEM探頭獲得的具有 2? 分辨率的MIL-101結(jié)構(gòu)的iDPC-STEM圖像，成像使用的電子劑量是42 e/?²。在圖4中，具有極高圖像分辨率和信噪比的iDPC-STEM圖像不僅清楚地揭示了MIL-101晶體中的特征籠結(jié)構(gòu)，而且還揭示了MIL-101組裝形成的孿晶結(jié)構(gòu)。

圖 5 是在Spectra 300球差校正電鏡上使用Panther STEM探頭獲得的具有1.4 ? 分辨率的UIO-66結(jié)構(gòu)的iDPC-STEM圖像，成像使用的電子劑量是166 e/?²。iDPC-STEM技術(shù)和 Panther STEM 探頭結(jié)合使用，可對(duì)UIO-66結(jié)構(gòu)進(jìn)行原子分辨率成像，甚至可以清楚地顯示苯環(huán)結(jié)構(gòu)（如圖中紅色方框所示）。

試樣制備對(duì)于材料結(jié)構(gòu)原子分辨率的直接成像極為關(guān)鍵。雖然可接受的試樣厚度隨著電子束的能量以及其所含的原子種類變化，但通常需要小于100 nm?！霸奖≡胶谩睅缀跏?TEM 研究中的一個(gè)不變的公理。另一方面，對(duì)于電子束輻照極度敏感的材料，如金屬有機(jī)框架（MOF）、超分子晶體、雜化鹵素鈣鈦礦等，傳統(tǒng)上被認(rèn)為不適用于TEM表征。因此，它們的TEM試樣制備未曾被關(guān)注。隨著超低劑量電子顯微成像技術(shù)(ultralow-dose (S)TEM)的開發(fā)，敏感材料的高分辨率成像這一難題已經(jīng)在很大程度上得到了解決。過(guò)去幾年間，包括上述材料在內(nèi)的各種敏感材料的高分辨(S)TEM成像都獲得了成功。然而，在這些工作中，幾乎所有的研究對(duì)象都是可以直接成像的納米顆粒，而對(duì)于需要“試樣制備”的體相敏感材料的(S)TEM成像尚未有報(bào)道。這是因?yàn)?，敏感材料的TEM試樣制備極具挑戰(zhàn)：這些電子束敏感材料往往對(duì)于其它各種作用力也很敏感，其結(jié)構(gòu)很容易被常規(guī)的試樣制備方法所破壞。

在合適的操作條件下，Cryo-FIB技術(shù)不僅可以根據(jù)顆粒形狀來(lái)旋轉(zhuǎn)樣品以實(shí)現(xiàn)特定晶體學(xué)方向/特定位置的納米薄片的加工，還可以利用低溫條件在納米薄片加工過(guò)程中最大限度地保護(hù)MOF的晶體結(jié)構(gòu)。目前，Cryo-FIB已經(jīng)可以成功用于極度電子束敏感的微米級(jí)的MOF晶體，毫米級(jí)的雜化鈣鈦礦晶體，以及雜化鈣鈦礦單晶太陽(yáng)能電池等。這些樣品均無(wú)法通過(guò)常規(guī)方法（包括室溫FIB）制備TEM試樣而不造成本征結(jié)構(gòu)的破壞^[10]。

Cryo-FIB制樣技術(shù)與新興的Ultralow-dose (S)TEM成像技術(shù)相結(jié)合，可以進(jìn)一步拓展TEM的應(yīng)用范圍，以原子級(jí)空間分辨率揭示其它表征技術(shù)無(wú)法研究的、隱藏在大尺寸體相材料或器件中的微區(qū)結(jié)構(gòu)。例如，研究者利用Cryo-FIB結(jié)合iDPC技術(shù)成功地揭示COF@MOF兩相界面處精細(xì)結(jié)構(gòu)。在這一工作中，Cryo-FIB加工后的int-MOF 晶體結(jié)構(gòu)得到了很好保持，在高分辨率iDPC-STEM圖像中可以直接得到int-MOF-5晶體和NTU-COF殼層之間的邊界以及int-MOF-5晶體的結(jié)構(gòu)信息。沿著int-MOF-5/NTU-COF界面，從超低劑量高分辨率iDPC-STEM圖像中能夠觀察到NTU-COF與int-MOF-5之間的特殊“插座”式連接結(jié)構(gòu)。