原子分辨成像是材料、芯片、能源等领域的重要支撑技术。近年来，基于4D-STEM的超分辨叠层成像方法不断刷新显微成像的信息极限，清华大学于荣团队此前提出的局域轨道叠层成像（LOP）已将其推进到14 pm（0.14 Å），但这类成像方法都要求样品足够薄。近期，该团队进一步提出并实现了扩展局域轨道叠层成像（extended local-orbital ptychography，eLOP）方法，在厚达85纳米的硅单晶中实现了深亚埃分辨、深亚皮米精度的原子成像，大幅扩展了超分辨成像的应用范围。而且，提高样品厚度也有助于缓解薄样品的尺寸效应，获得本征结构信息。相关研究成果以Imaging thick objects with deep-subangstrom resolution and deep-subpicometer precision（厚样品的深亚埃分辨、深亚皮米精度成像）为题，于2026年6月5日发表于Science Advances（科学进展）。
叠层成像（Ptychography）是基于4D-STEM数据集的相干衍射成像技术，通过单电子敏感的像素化探测器记录大量衍射图并数值重构，可实现深亚埃（< 0.5 Å）分辨，已成为物质微观结构分析的前沿。然而，要获得超分辨重构，对金属、陶瓷、半导体等致密固体通常要求样品厚度小于20纳米，限制了超分辨成像的广泛应用。
图1、含像差变化的模拟数据上的叠层重构。(a-b) 像差随扫描位置变化的电子束示意；(c–d) 20纳米厚样品的CPP与eLOP重构结果；(e–f) 60纳米厚样品的CPP与eLOP重构结果。
样品越厚，电子束在其中的离焦量变化范围越大，像差的影响越严重，且像差常随扫描位置发生变化。传统像素化叠层成像（CPP）用二维像素矩阵描述电子束并假定像差恒定，难以应对这种变化。团队在局域轨道叠层成像（LOP）的基础上，将电子束进一步描述为与扫描位置相关的像差函数，可重构变化的电子束并从消除其带来的误差；结合能量过滤技术滤除非弹性散射，显著放宽了对样品厚度的限制，有望在物理、化学、材料科学与半导体器件工程等领域得到广泛应用。
图2、能量过滤4D-STEM实验。(a) SrTiO₃及四个采集区域；(b) 由EELS测得的厚度分布、及(c)沿箭头方向的厚度曲线；(d) 含磁棱镜与能量选择狭缝的能量过滤示意图。
模拟与实验均表明，eLOP大幅提升了可成像的厚度阈值。对SrTiO3来说，可重构的厚度至少达60纳米，同时达到16皮米的信息极限，并将原子间距的测量精度提高到0.42皮米。
图3、不同厚度下未能量过滤与能量过滤数据经CPP与eLOP的重构结果。
对半导体材料，团队在厚达85纳米的单晶硅上实现了超分辨重构，信息极限达18皮米、原子间距的精度提高到0.39皮米，同样进入深亚皮米（< 0.5 pm）区间。深亚皮米精度可归结为两点：其一，能量过滤滤除了厚样品的非弹性散射，提高了衍射数据的信噪比；其二，位置相关的像差被重构并消除，避免了误差在厚样品中逐层累积，显著提高原子位置的测量精度。
图4、厚样品的信息极限与原子位置精度。(a–c) 60纳米厚SrTiO₃的相位图、衍射图及Sr–TiO间距分布（标准差0.42皮米）；(d–f) 85纳米厚硅的相位图、衍射图及Si–Si间距分布（标准差0.39皮米）。
该方法大幅放宽了超分辨4D-STEM叠层成像对样品厚度的苛刻要求，为超分辨成像的广泛应用铺平了道路。而且，提高样品厚度也有助于缓解薄样品的尺寸效应，获得本征结构信息。相关研究成果以Imaging thick objects with deep-subangstrom resolution and deep-subpicometer precision（厚样品的深亚埃分辨、深亚皮米精度成像）为题，于2026年6月5日在线发表于Science Advances（科学进展）。
清华大学材料学院博士后杨文峰为论文第一作者，于荣教授为通讯作者，沙浩治、崔吉哲为合作作者。该研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aec9348
