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，也從不同層面構建了AET方法學的“地基”和“框架”。Zuo et al.更側重于回答 “在什么實驗條件下可以做成”，通過系統限定樣品尺寸、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“如何把數據真正用好”，從算法與流程層面給出了可復制、可推廣的完整解決方案。二者結合，使AET不再只是概念驗證或個案展示，而是逐步發展為一套可標準化、可量化評估誤差的三維原子表征技術。”

01

背景介紹

非晶材料（Amorphous materials，缺乏長程周期性有序結構的固體體系），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”的結構，使非晶材料在眾多關鍵技術中展現出不可替代的優勢。當前，非晶材料已廣泛應用于薄膜電子學、太陽能電池、相變存儲器、磁性器件、醫療植入材料以及新興的量子信息技術等領域（圖1），對現代信息社會和高端制造起著基礎性支撐作用。

圖1. 非晶材料的應用

然而，非晶材料缺乏平移對稱性這一根本特征，也給其結構解析帶來了巨大挑戰。與晶體材料可以通過衍射技術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三維結構（圖2），這在很大程度上制約了人們對其結構-性能關系的深入理解。

圖2. 晶體材料和非晶材料的結構和表征技術(AI)

近年來，圍繞非晶材料的短程有序和中程有序結構，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）作為一種新興的結構表征技術，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構研究進入原子級、三維化和定量化的新階段。

圖3. AET技術的原理示意圖

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。該研究結果為未來的實驗設計提供了基準，并可利用AET驗證非晶結構。Miao et al.的研究對原子電子斷層掃描進行了定量分析，闡明了穩健的圖像預處理、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同作用，實現對非晶態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技術在測定非晶材料三維原子結構方面展現出潛力，但對其在噪聲、電子劑量等現實實驗條件下的準確性和可靠性缺乏系統性的評估與界定。

（2）研究方法

通過模擬AET實驗，系統性地改變了非晶納米顆粒（從單質Si到多元SiGeSn、CoPdPt）的尺寸、成分、電子劑量和圖像采樣參數，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. 計算層析成像質量，隨電子通量與納米粒子尺寸變化關系

（3）核心發現

1）原子定位：對于單質非晶硅納米顆粒，只有在高電子劑量（如1.6×105e-/?2）下才能準確識別所有原子，位置精度在數十皮米量級。劑量降低或顆粒增大都會導致偽原子出現和定位精度下降。

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，會產生巨大的化學分析不確定性。該文獻模擬結果顯示，在類似條件下，對CoPdPt中Co的識別率僅為~40%。

3）技術要求：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、滿足最低電子劑量和圖像采樣要求等。

4）意義：該研究為AET實驗設計提供了重要的基準和警示，強調了在解讀AET結果，特別是化學識別結果時，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 NL）的測量及其相互關系

2.文獻2：Nature, 649, 1123-1129 (2026)

《非晶材料三維原子結構的精確測定》

（1）研究背景與問題

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

（2）研究方法

提出了一個集成的、優化的AET工作流程，包括穩健的圖像預處理與去噪、先進的RESIRE斷層重建算法、系統的后處理（原子追蹤、元素分類、位置優化）。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）核心發現

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，實現了Co (95.1%), Pd (99.0%), Pt (100%)的高準確率元素識別，相應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技術的優勢：展示了基于電子疊層衍射的pAET技術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的原子結構和中程有序（如原子環分布）。

4）意義：該研究確立了實現精確AET的實用指南和定量基準，證明了通過系統性的流程優化，AET能夠可靠地測定非晶材料的三維原子結構，并將該技術的應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構與中程有序

03

總結

這兩篇文獻圍繞“原子級電子斷層成像技術測定非晶材料三維原子結構”這一前沿課題，在同一期雜志上發表研究成果，形成了一場精彩的學術對話。兩篇文獻的本質區別在于視角和側重點。文獻1如同一個“質檢員”，嚴謹地劃出AET技術的“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，展示如何通過技術創新將AET的性能推向極致。二者共同勾勒出該技術領域的全貌：既有令人振奮的潛力，也有必須正視的挑戰。

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.

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