像差校正电镜四位传奇老人获科维理奖：一段60年理论-实验-商业化典范

仪器信息网讯 5月27日，2020年度科维理奖（Kavli Prize）揭晓，本年度科维理天体物理奖、纳米科学奖和神经科学奖，三个奖项分别授予七位科学家，以表彰他们在天体物理学、纳米科学和神经科学领域作出的杰出成就。其中，纳米科学奖授予了对像差校正电镜技术的发展做出巨大贡献的四位欧洲科学家：Maximilian Haider, Knut Urban, Harald Rose, Ondrej L. Krivanek。

作为诺贝尔奖的补充，卡弗里奖是世界最高的科技奖之一，由挪威科学与文学学院、美国卡弗里基金会和挪威教育科研部联合成立。自2008年起，卡弗里奖每两年颁发一次，由三个学术委员会从世界各地提名的科学家中评选出该领域的获奖者，奖金为100万美元，奖金以外，每位获奖者还获得一块纯金的奖章。候选者则由各国享有盛名的科研机构推荐，这些科研机构包括中国科学院、法国科学院、德国马克普朗克学院、美国科学院、英国皇家科学院等。

在奖项设置上，诺奖涉及领域比较广，其分设物理、化学、经济学、文学等6个奖项。而卡弗里奖则只关注纳米科学、神经科学和天体物理三个细分领域，也是这三个科学领域中最具有权威性的奖项之一。

2020年度科维理奖宣传片：

纳米科学科维理奖授予了对像差校正电镜技术的发展做出贡献的四位欧洲科学家：

Harald Rose（德国乌尔姆大学和达姆施塔特工业大学）

Maximilian Haider（德国CEOS GmbH公司联合创始人，于1996年和Joachim Zach共同创立CEOS GmbH公司，目的是商业化生产像差校正器。目前是该公司高级顾问）

Knut Urban（德国于利希研究中心）

Ondrej L. Krivanek（美国Nion公司联合创始人，1997年，他与Niklas Dellby创立了Nion公司，他目前仍是该公司总裁。同时也是Gatan公司研发总监）

以表彰他们20世纪90年代在 “用电子束进行亚埃级分辨率成像及化学分析” —— 即研制亚埃级电子显微镜方面的开创性工作。

左至右：Maximilian Haider, Knut Urban, Harald Rose, Ondrej L. Krivanek

眼见为实促进了科学的进步。2020年科维里纳米科学奖表彰了四位先驱，他们使人类能够在前所未有的微小尺度上看到材料的三维结构和化学成分。

纳米科学的主要目标是创建原子级精度组装的材料和设备，以获得新颖的功能。原子的大小约为一个埃米（0.1纳米）。因此，亚埃规模的材料和设备的成像和分析至关重要。经典显微镜的分辨率受到用于成像的探针波长的限制。因为可见光的波长大约是原子的5000倍，所以光学透镜无法对原子成像。在20世纪初期，具有原子级波长的电子束变得可用，从而促成了1931年电子显微镜的发明。然而，由于透镜像差的限制，制造理想的电子透镜成为一个重大的理论和实验问题。60多年来，人们一直在为此而奋斗！通过不懈努力、独创性以及对20世纪90年代计算能力提高的利用，获奖者们构造了像差校正透镜，并将亚埃成像和三维化学分析作为标准的表征方法。

三位获奖者共同创立了两家公司，并将他们的像差校正镜片商业化，进一步促进了他们科学工作的重大影响。从那时起，他们的显微镜及技术在基础科学和技术领域发挥了巨大的作用，并被半导体、化学和汽车等行业广泛使用。

科维理纳米科学奖评审委员会认为，四位获奖者对像差校正电镜发展的贡献分别为：

Harald Rose：提出了一种新颖的镜头设计，即Rose校正器，这使得透射电子显微镜中的像差校正技术应用于常规和扫描透射电子显微镜成为可能。

Maximilian Haider：在Harald Rose设计的基础上，打造出第一个六极校正器，并为首台像差校正常规透射电子显微镜的实现做出了突出贡献。

Knut Urban：为首台像差校正常规透射电子显微镜的实现做出了突出贡献。

Ondrej L. Krivanek：发展了四极八极校正器，并打造首台亚埃分辨率的像差校正扫描透射电子显微镜，非常适合于高空间分辨的化学分析。

科维里纳米科学奖委员会

Bodil Holst（主席），卑尔根大学，挪威

Gabriel Aeppli，保罗谢勒研究所，瑞士

Susan Coppersmith，新南威尔士大学，澳大利亚

李述汤，苏州大学，中国

Joachim Spatz，德国马克斯·普朗克医学研究所

逐个原子的查看物质内部

纳米技术和纳米技术的最终目标是在很小的范围内操纵物质——甚至精确到移动单个原子——以创建具有新功能的粒子和设备。因此，如果没有允许以原子分辨率研究材料和设备的成像技术，这些都将无法实现。

在授予奖项时，科维里纳米科学奖委员会选出了以上四位科学家，他们为两种类型的仪器的开发和使用做出了贡献，这两种仪器通常被称为像差校正透射电子显微镜，可以提供亚埃级分辨率有关结构和其他性质的信息，即可以获得单个原子信息。

光学显微镜最多只能分辨几百纳米的尺度，因此需要一种不同的方法来区分单个原子。 1980年代发明的扫描隧道显微镜和原子力显微镜实现了原子分辨率，但是，它们都只能在暴露的表面上起作用，对于大多数纳米级结构，必须研究不同材料或同一材料的不同相之间的掩埋界面。最有希望的途径是优化Ernst Ruska于1931年发明的透射电子显微镜。这种仪器的原理是利用一束电子直接照射到给定材料的薄样品上，电子束与材料中原子的相互作用产生电子散射。利用散射电子，显微镜的电磁物镜和附加镜头形成一个放大的图像，并用CCD或CMOS相机记录。Ruska的设计今天被称为CTEM，用于传统的透射电子显微镜。“常规”是指，除了利用电子辐射外，CTEM还遵循光学显微镜的设计。1937年， Manfred von Ardenne发明了扫描透射电子显微镜STEM。在这种情况下，用细电子束扫描样品，并通过电磁透镜将其准直，并且穿过样品的电子被收集在样品后面。然后通过在视频屏幕上显示这些电子的强度来创建图像。

STEM的一个独特优势是，对于电子束所聚焦的材料的每一个点，它也可以分析当电子束从材料中的原子散射时，电子所损失的能量。这种技术被称为电子能量损失光谱学(EELS)，可以提供材料内部原子组成和电子状态的信息。

虽然到20世纪80年代末，CTEM和STEM的分辨率都达到了埃米级，但要解决大多数材料的详细原子排列是不可能的。问题是使用的电磁透镜比光学透镜有更多的像差。举例来说，穿过透镜的电子远离透镜的中心，聚焦的距离与穿过透镜的电子靠近透镜中心的距离不同，从而使图像变得模糊。

Harald Rose在1990年的论文中的像差校正器示意图。 Optik 85，19-24（1990）; ©Elsevier GmbH

1990年，任职达姆施塔特大学的Harald Rose在先前有关各种像差校正技术工作的基础上，设计了一种基于电磁六极杆的透镜系统（上图），可以对其进行调整以消除标准电子透镜的像差，这对CTEM和STEM均适用。在随后的几年中，Rose与当时位于海德堡的实验员Maximilian Haider和位于Jülich的Knut Urban合作，以实验方式实现了他对CTEM的提议。1998年，这项合作发表了第一批使用像差校正CTEM改进的图像。 1996年，Haider和Joachim Zach一起创建了德国CEOS GmbH公司（相关电子光学系统），以使“Rose校正器”商业化，如今，这种校正器已在CTEM和STEM中广泛使用。

在过去20年中，像差校正CTEMs有了长足的发展，分辨率现已达到0.5埃米。因此，与未经校正的TEM相比，相对于电子波长的分辨率可以提高7倍。查看晶格中单个原子的能力已使局部原子结构与原子性质之间的关系成为可能。要研究的材料。下图显示了一个漂亮的例子，图中使用像差校正的TEM直接将经典铁电材料中原子的位置与极化方向的变化联系起来。

通过像差校正的TEM获得的材料PZT中不同铁电畴的原子结构。两相中原子（O，蓝色，Pb，黄色，Zr / Ti，红色）的位置可以直接与极化方向（Ps）关联。摘自C.-L. Jia et al. Atomic-scale study of electric dipoles near charged and uncharged domain walls in ferroelectric films. Nature Μater. 7, 57–61 (2008); © Springer Nature Ltd

当Rose，Haider和Urban在开发像差校正CTEM的同时，一位长期从事电子光学和EELS的专家Ondrej Krivanek于1995年开始在英国剑桥与Mick Brown和Andrew Bleloch合作开发STEM的像差校正。1997年，Krivanek与Niklas Dellby一起创立了Nion公司，以商业方式开发像差校正的STEM。2002年，Krivanek，Dellby和他们的IBM同事Phil Batson发布了使用Nion四极八极STEM校正器获得的亚埃分辨率分辨率图像（下图）。

非晶碳衬底上的Au岛的原子分辨率图像。该岛被金的单原子簇包围。岛周围不同区域的衍射图表明，这些簇在邻近已建成岛的各种结构中有序排列。Nature 418, 617-620 (2002); © Springer Nature Ltd.

在过去的20年中，STEM的发展更加迅速。如前所述，STEM可用于执行EELS，并且此组合已用于获取有关材料化学组成（下图）甚至原子之间键合类型的信息。

使用EELS在STEM上获得的（La，Sr）MnO3 / SrTiO3多层膜的原子分辨率化学图，显示了La（绿色），Ti（蓝色）和Mn（红色）原子。白色圆圈表示La列的位置；视场3.1 nm。自D. A. Muller et al. Atomic-scale chemical imaging of composition and bonding by aberration-corrected microscopy. Science 319, 1073–1076 (2008)。

Rose，Haider，Urban和Krivanek的开创性工作促进TEM和STEM成为研究实验室常规使用的仪器。得益于相关技术的进步，首先是最重要的是实现了高度灵敏的电子探测器，这两种仪器现在都可以用于非常精细的样品，包括例如石墨烯和其他二维材料。一些仪器被用作小型实验室，其中化学反应是在直接的原子分辨率观察下原位进行观察。也有团队尝试超越成像，并操纵晶格内的单个原子。在工业上，这些仪器经常用于监视设备的质量和可靠的制造。

正如卑尔根大学的Bodil Holst教授和纳米科学委员会科维理奖主席所说：“今年的科维理奖的背后是60多年的理论和实验斗争。这是科学创造力，奉献精神和坚持不懈的完美典范。我们向四位获奖者致敬，他们使人类得以看到我们以前看不见的地方。”

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获奖人简介与自传

Maximilian Haider，德国CEOS GmbH公司，奥地利

【简介】

Maximilian Haider是奥地利物理学家。在基尔大学获得学位后，他移居达姆施塔特（Darmstadt）攻读博士学位，并于1987年获得博士学位。仅仅两年后，他加入了海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL），在那里从事了博士学位的实验工作，成为物理仪器计划的组长，直到现在。

他的研究兴趣集中在开发提高透射电子显微镜分辨率的方法上。在EMBL任职期间，他根据Harald Rose的理论工作开发了透镜系统原型，并开始与Rose和Knut Urban合作，拍摄了第一张经晶格校正的原子结构的TEM图像，成果于1998年发表。

Haider于1996年在海德堡联合创立了CEOS GmbH公司，其目的是商业化生产像差校正器。他仍然是该公司的高级顾问，自2008年以来，他还是卡尔斯鲁厄工业大学的名誉物理学教授。

他的工作获得了许多奖项，包括与Rose和Urban共同获得的Wolf奖和BBVA基础科学知识前沿奖，他还是英国皇家显微镜学会的荣誉院士。

【自传】

1950年，我出生在奥地利的一个历史小镇，我的父母Maximilian Haider和Anna Haider在那里拥有一家钟表店。我父亲接管他父亲商店, 长兄也继承他们的职业,成为一个钟表匠。为了扩大业务，在我童年的早期，我就同意成为一名眼镜师……【点击查看自传全文】

Ondrej Krivanek，美国Nion 公司，英国和捷克共和国

【简介】

Ondrej Krivanek是居住在美国的捷克和英国国籍的物理学家。他出生于布拉格，于1960年代后期移居英国，并在利兹大学获得学位，然后移居剑桥，与Archie Howie一起在电子显微镜领域攻读博士学位。

在剑桥大学毕业后，Krivanek在京都、贝尔实验室和加州大学伯克利分校担任博士后职位。在伯克利任职期间，他对电子能量损失光谱学产生了兴趣，并建立了自己的光谱仪。他于1980年成为亚利桑那州立大学国家科学基金会NSF HREM设施的助理教授兼副主任，与此同时，他开始与Gatan公司合作，首先是担任顾问，然后永久加入公司并成为其研发总监。

1995年，他获得皇家学会的资助返回剑桥，与Mick Brown和Andrew Bleloch合作进行电子透镜像差校正。他的成就帮助他与Niklas Dellby于1997年创立了Nion公司，他目前仍是该公司的总裁。在Niklas Dellby和IBM的Phil Batson协助下，他通过扫描透射电子显微镜获得了亚埃的分辨率，该结果于2002年发表。

Ondrej Krivanek是电子显微镜和电子能量损失光谱学的知名专家之一。他获得了许多奖项，包括Duddell Medal和英国物理学会奖，以及国际显微镜学会联合会的Cosslett Medal。他是皇家学会，美国物理学会，美国显微学会和美国物理学会的会员，也是皇家显微学会的名誉会员。

【自传】

我出生于捷克斯洛伐克的布拉格（现为捷克共和国），当时苏联和其他社会主义国家为自己的科学技术成就和教育体系感到自豪。 1961年4月，Yuri Gagarin成为第一个绕地球轨道飞行的人时，我们受到鼓励，在宇航员中成立了俱乐部，我和学校里的朋友们也成立了一个俱乐部……【关注仪器信息网后续报道】

Harald Rose，乌尔姆大学，德国

【简介】

Harald Rose是德国物理学家。他在达姆施塔特大学学习，并获得了博士学位，在Otto Scherzer的指导下从事理论电子光学工作，他在1930年代做了一些电子显微镜的开创性工作。

Rose的研究生涯与达姆施塔特大学和他在美国的任命有着密切的联系。在达姆施塔特大学，从1980年到2000年退休，一直担任教授。在1970年代初期，他在STEM的发明者Albert Crewe的实验室里工作过一段时间。自1970年代后期以来，他在美国各机构担任过多个职位，包括芝加哥的阿贡国家实验室。

他的研究主要集中在电子透镜的像差校正。在1990年，他设计了一种可行的透镜系统来提高TEM分辨率。然后，他与Maximilian Haider和Knut Urban合作，于1998年，以实验方式实现了他的建议。

自2009年以来，Rose一直担任乌尔姆大学的蔡司高级教授。他获得了多个著名的奖项，包括与Haider和Urban一起获得沃尔夫物理学奖和BBVA基础科学知识前沿奖。他还是英国皇家显微镜学会的荣誉院士。

【自传】

我于1935年2月14日出生在不来梅，是我父母Anna-Luise和Hermann Rose的第二个孩子，他们俩都是数学天才。我父亲在一个家里长大，家里的每个人都在演奏一种乐器，我父亲弹钢琴。他开始学习数学，但在20世纪20年代初，他的父亲因为恶性通货膨胀失去了财产，他被迫从商。……【关注仪器信息网后续报道】

Knut Urban，德国于利希研究中心，德国

【简介】

Knut Urban是德国物理学家。他曾就读于斯图加特大学，并于1972年获得物理学博士学位，之后前往斯图加特的马克斯·普朗克金属研究所。

1986年，他被任命为德国埃尔兰根-纽伦堡大学材料性能教授，仅一年后，他成为亚琛工业大学实验物理系主任和尤利希奥地利维也纳大学微结构研究所所长。在此期间，他与Harald Rose和Maximilian Haider合作获得了第一个像差校正的透射电子显微镜结果，该结果于1998年发表。

随后，Urban致力于将像差校正的透射电子显微镜应用于材料科学，尤其专注于晶格内原子的精确排列与材料物理特性之间的联系。

2004年，他被选为厄恩斯特·鲁斯卡电子显微镜和光谱学中心的主任之一，自2012年以来，他一直是亚琛工业大学的JARA高级教授。 Urban已获得多项荣誉，这些奖项包括美国材料研究学会的冯·希佩尔奖，并与Rose和Haider共同获得了沃尔夫物理学奖，本田生态技术奖和BBVA基础科学知识前沿奖。他还是包括美国材料研究学会，德国物理学会和日本金属与材料学会在内的多个科学机构的荣誉会员。

【自传】

我成长于战后早期的德国斯图加特。这个城市以其汽车工业和大量的中小型工业公司而闻名。我的父亲是一名电气工程师，他经营一家生产小型电动机的工厂。在过去的几十年里，他以自己的一系列发明为公司定下了基调……【关注仪器信息网后续报道】

关于科维理奖的故事

如果我们能了解宇宙的起源呢?如果我们可以通过控制原子结构来改善生活呢?如果我们能真正理解人类大脑的复杂性呢?

科维理奖背后的故事始于20世纪30年代，一个名叫Fred的好奇男孩在挪威埃里斯峡湾的高山中长大。对自然和宇宙的好奇心一直伴随着Fred，贯穿了他在美国学习物理和创业的整个过程。

直到他最终建立了一个慈善基金会，以推进科学造福人类为愿景。该基金会的首批活动之一便是从2008年开始的科维理奖的成立。该奖项由卡维里基金会、挪威科学与文学院和挪威教育与研究部合作，每两年颁发一次。

三个国际奖项的奖金都是100万美元和一枚金牌，由挪威王室成员在奥斯陆主持的颁奖仪式上颁发。

挪威科学院以提名委员会的建议选出Kavli奖得主，该委员会由来自天体物理学，纳米科学和神经科学这三个科学领域的来自世界上最著名的六个科学学会和研究院的领先国际科学家组成。

科维理奖的获奖者是由挪威科学院根据评奖委员会的推荐选出的，评奖委员会由来自世界上六个最著名的科学学会和学院的领先国际科学家组成，他们来自三个科学领域:天体物理学、纳米科学和神经科学。

分别代表宏观、微观、复杂。

科维理奖有四个最终目的:表彰杰出的科学研究，表彰富有创造力的科学家，促进公众对科学家及其工作的理解和欣赏，促进科学家之间的国际合作。

我们一次又一次地看到，实现这些目标对于使世界变得更美好至关重要。科维理奖继续受到Fred Kavli的敬畏感和好奇心的驱使，他在最壮美的大自然中成长，体验着宇宙的浩瀚。