朱溢眉等开发出TEM衍生产品：引入加速器技术，低成本捕捉微观动态

　　仪器信息网讯 2019年12月，在美国加州圣马特奥举行的2019年R&D 100 Awards盛典上，布鲁克海文实验室凝聚态物理与材料科学部的高级物理学家兼组长朱溢眉与美国Euclid TechLabs公司、美国国家标准技术研究院(NIST)和日本电子美国的科学家和工程师们开发的“电子束脉冲发生器”获得“2019 R&D 100”奖。

　　这种低成本的无激光设备可以改装配置到传统的透射电子显微镜中，达到在很短的时间内对能量和生物材料的动态行为成像。

　　《 R&D World》杂志将其评选为年度100大创新之一，他们的解决方案是一种基于电子束脉冲发生器的透射电子显微镜成像技术，可在很短的时间内对材料的动态行为进行成像，无需复杂且昂贵的脉冲激光器。

　　该脉冲发生器使传统的透射电子显微镜能够捕获超快的物质过程，如原子振动和电荷转移，而不需要复杂而昂贵的脉冲激光器。照片中，朱溢眉坐在最前，站在其后面的是布鲁克海文实验室的研究助理付学文，主要着手展现脉冲发生器探测超快过程的能力。站在远端的两位分别是Euclid TechLabs公司工程师Hyeokmin Choe(左)和美国石溪大学研究生Chase Rendall(右)，他们分别致力于将该设备应用于生物分子和量子材料。

　　技术背景

　　由于透射电子显微镜(TEM)埃米级或更出色的空间分辨率，TEM已成为解析多种材料原子和电子结构的强大工具，应用材料包括高温超导体、铁电和铁磁、催化剂和电池等。但是，常规TEM视频速率约为每秒30帧，即33毫秒，这太慢而无法捕获这些材料中的原子振动、晶格运动、电荷转移、离子迁移、电磁转换和其他动态过程。这种限制主要是由于TEM中产生的电子束是连续的而不是脉冲的。

　　在过去的15年里，探索材料的原子振动、晶格运动等的动态过程，可以通过为TEM配置可产生电子束的脉冲激光来实现，但是基于激光器的超快TEM非常复杂且昂贵，需要对TEM进行重大修改，并且需要专业人员来操作激光系统。

　　技术方案

　　该研究小组的解决方案是电子脉冲发生器代替激光。他们使用加速器技术将电子的连续波形(电子具有类似于波的特性，以一定的频率振荡)“切割”形成10皮秒(1皮秒为万亿分之一秒)的超短脉冲，具有高重复频率(兆赫到千兆赫)，用于频闪模式下的超快TEM实验。在这种模式下，脉冲被重复地循环，以创建一个时间分辨率的图像，类似于胶卷是由一系列单独的图片组成，当快速连续地观看时，就会产生连续运动的效果。脉冲的频率可以根据感兴趣现象的自然时间尺度来调整。例如，金属-绝缘体的跃迁或自旋波的传播，只要现象是可重复的，这个过程就可以被捕获。

　　布鲁克海文实验室凝聚态物理和材料科学部的高级物理学家，电子显微镜和纳米结构小组负责人 朱溢眉表示，“将加速器技术与电子显微镜相结合是前所未有的。” 朱溢眉与其之前一位学生June Lau(现就职于NIST)提出了电子脉冲发生器的想法，带着这个想法咨询了专门从事加速器开发的研发公司——Euclid TechLabs公司，并进一步进行合作。“在过去的五年里，双方的合作不仅带来一些列科研成果及美国专利的发表，而且还产生了可用于商业TEM的可衍生产品。”

　　可以将电子束脉冲发生器(在图中右上角放大部分)改装到现有的商用透射电子显微镜中，以将电子的正常连续波形转变为脉冲束，以进行频闪超快实验。紫色框显示脉冲束，时间间隔为100皮秒。

　　该团队在Euclid公司开发并制造了电子脉冲发生器，在日本电子美国总部的TEM中测试了该设备，然后将其安装在NIST和布鲁克海文实验室TEM中，以不同电压工作。此后，他们一直在进行不同的实验以探索该设备的功能，包括它是否可用于探测具有高电子相关的材料甚至生物样品中的超快动力学。众所周知，通常用于TEM中的高能电子束会破坏原子键，从而破坏生物样品。但是，如果断裂的化学键能在脉冲之间自愈，辐射损伤便可能会减轻。

　　“有机会与电子显微镜专家合作非常令我感到兴奋，” Euclid工程部副总裁Chunguang Jing说， “我希望我们的共同努力将带来一个有用的商业产品，可以影响电子显微镜领域。”

　　“这项技术把我们带到了未知的领域，” 朱溢眉说，“现在，我们不仅可以做时间分辨的测量，还可以看到生物分子对外界刺激的反应。”我们希望我们相对廉价的技术将为科学界提供一种手段，以在所需的空间和时间范围内捕获和理解功能材料的微观结构、电子结构和自旋状态。”

　　布鲁克海文的贡献得到了美国能源部基础能源科学办公室的支持，欧几里德得到了美国能源部小企业创新研究补助金的支持，NIST得到了内部研发资金的支持。

　　布鲁克海文国家实验室是由美国能源部科学办公室资助的。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并且致力于解决当今时代最紧迫的挑战。

　　附：关于获奖

　　自1962年以来，每年的R&D 100大奖一直表彰科学技术方面的革命性思想。40多位来自学术界，工业界和政府部门的专业人员组成的评审团选出了今年的获奖者。

　　R&D World副总裁兼编辑总监Paul J. Heney说：“这100项获胜的产品和技术将在未来几年改变行业，使世界变得更美好。”

　　布鲁克海文获得此奖是2019年授予美国能源部国家实验室的众多奖项之一。

　　美国能源部长Rick Perry表示：“这些奖项认可了我们国家实验室以开创性的思想形式提供的令人难以置信的价值，这些思想一旦成功就将改变我们的生活方式。” “我们为实验室不断重新定义可能的能力而感到自豪，这有助于确保我们国家更加繁荣和安全的未来。”

　　自1987年以来，布鲁克海文实验室已经获得37项R&D 100大奖。获奖的技术包括显微镜光学、电催化剂、纳米变形方法和辐射探测器等。