该显微镜能够以惊人的细节同时观察材料表面的两侧。
美国已安装一台定制电子显微镜，有望彻底改变电池技术、半导体、量子计算及先进材料领域的未来研究。
这台革命性的新型扫描透射电子显微镜安装于美国能源部布鲁克海文国家实验室（BNL）下属的功能纳米材料中心（CFN）。其过滤系统极为独特，能量分辨率比现有显微镜高出200倍。
该仪器专为该设施定制打造。它将使研究团队能够以前所未有的细节分析材料的原子结构、化学组成和电子行为，并且能对三者同时进行评估。
据科学家称，该显微镜弥合了电子显微镜与强大的同步加速器X射线设施之间长期存在的差距。布鲁克海文国家实验室高级物理学家、先进电子显微镜及纳米尺度结构与结构缺陷课题组负责人朱溢眉博士表示：“我们确实突破了当前显微镜仪器的极限。”
原子级洞悉
布鲁克海文国家实验室透露，该仪器引入了四项重大技术进步。其中最突出的特点之一是一对二次电子探测器，能够以原子级细节同时成像样品的上表面和下表面。
这一能力对催化剂研究尤其宝贵。催化剂驱动着用于能量转换和储存的化学反应。因此，了解催化剂在工作过程中表面如何变化，有助于设计更高效的电池、燃料电池及其他清洁能源技术。
朱迪思·杨、朱溢眉和黄秀妍站在布鲁克海文实验室功能纳米材料中心的一台电子显微镜旁。图片来源：凯文·考夫林/布鲁克海文国家实验室
CFN电子显微镜课题组负责人朱迪思·杨博士说：“借助这台设备，我们可以检测催化剂在反应前后的两侧表面，从而更全面地了解其结构如何变化，以及这些变化如何影响其化学性能。”
此外，该显微镜还增强了电子能量损失谱（EELS），这是一种测量电子穿过材料时如何损失能量的方法。该显微镜还配有重新设计的光学系统，将可测量的能量范围扩展了五倍以上。科学家可利用这些测量结果分析氧化态和化学键，例如电池材料在充放电过程中如何变化。
更智能的研究工具
该显微镜的能量过滤系统是另一项重大突破，其能量分辨率比现有电子显微镜锐利200倍。这一提升使动量分辨电子能量损失谱得以实现。
这意味着研究团队能够评估声子、磁振子、等离子体激元等准粒子以及其他电子激发，这些激发决定了材料如何导热、响应磁场以及与电和光相互作用。
该仪器还可在低至20千电子伏特（keV）的电压下运行，这低于大多数电子显微镜典型的100至300 keV范围。它可减少对极其精密材料的损伤，同时保持原子级成像。这使得该系统特别适合研究仅有一个或几个原子厚度的二维量子材料。
朱溢眉强调了该显微镜的价值。他在新闻稿中指出：“低电压电子不仅具有更高的散射能力，还能最大程度地减少对敏感材料的损伤。”
该系统基于Python的软件支持远程操作，有望实现由机器学习辅助的自主显微成像，从而提高实验效率。它很快还将迎来第二台新型电子显微镜。
参与采购这台显微镜的韩国东国大学副教授黄秀妍博士表示：“这台仪器为全新的实验打开了大门。它将使CFN能够解决以前无法触及的科学问题，我们非常期待用户会有怎样的发现。”
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