干式流量校正器

p style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongspan style="font-size: 18px "【简介】/span/strong/spanbr//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongspan style="font-size: 18px "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/efc046ba-50b1-4340-87d3-9ae63656c042.jpg" title="Harald Rose.jpg" alt="Harald Rose.jpg"//span/strong/span/pp style="text-align: center "strongHarald Rose/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "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，在1930年代做了一些电子显微镜的开创性工作。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "Harald 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。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "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。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "自2009年以来，Harald 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，以及与Maximilian Haider、Knut Urban、Ondrej L. Krivanek一起获得2020年度科维理奖（Kavli Prize）。他还是英国皇家显微镜学会的荣誉院士。/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strongspan style="font-size: 18px "【自传】/span/strong/span/ppspan style="color: rgb(0, 112, 192) "strongspan style="font-size: 18px "/span/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1935年2月14日，我在不来梅出生，是父母Anna-Luise和Hermann Rose的第二个孩子。我的父母在数学上都很有天赋。父亲出生在一个奏乐世家，他本人擅长弹奏钢琴。由于20世纪20年代初的恶性通货膨胀，祖父破产，父亲被迫经商。父亲在商业上非常成功，在1937年成为黑森州著名公司Kaffee-Hag的销售代表。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 322px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/416726c6-966b-4f3b-b7dd-1d5755b7ee9a.jpg" title="图片1.png" alt="图片1.png" width="450" height="322" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong5岁的我（右）、母亲Anna-Luise和7岁的哥哥。/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1937年，我们搬到了达姆施塔特，在那里，父亲在一个名为Mathildenhohe的高档社区里建造了一栋非常漂亮的房子，这是德国新艺术(Art Nouveau)的聚焦点。1939年，我们搬进了这栋房子。span style="text-indent: 2em "一年后，希特勒发动了第二次世界大战，我父亲应征加入了德国军队。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "到1944年止，我只见父亲几次，最后一次有父亲的消息是1944年2月，也就是我9岁生日那天，父亲被报道在东线的行动中失踪，我们再也没有见过他。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "1944年9月11日，由于皇家空军袭击，我们的房屋被摧毁，12,000名平民也因此丧生。幸运的是，母亲和哥哥幸存下来了，并搬到了乡下的一个小村庄。1945年3月，美国士兵抵达这里时，对我们来说，战争结束了。/span/ppspan style="color: rgb(0, 112, 192) "strongspan style="font-size: 18px "/span/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "同年年底，我通过了达姆施塔特实科中学的入学考试，母亲在税务局找到了一份工作。由于没有住房，我们不得不搬到房子废墟里潮湿的地下室。每当下雨天，水从楼板上滴下来，母亲就将床移到干的地方。此外，食物很难买到，在二战结束和1948年5月德国货币改革期间，我们经常饿肚子。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "母亲不得不同时工作和照顾两个孩子，因此没有时间帮助我们完成学校作业。幸运的是，和德国其他大多数州一样，母亲不必支付黑森州文理高中（Gymnasium）的费用。在文理高中期间，我对数学越来越感兴趣。因为没钱买昂贵的数学书，所以我经常去达姆施塔特黑森州立图书馆（Hessische Landesbibliothek），该图书馆在指定时间内免费向学生提供科学书籍，学习书籍可以帮助我轻松地理解学校的数学知识。结果，我在学校几乎没有做过任何数学题，但在考试成绩中始终是最好的。1955年初，我以优异的成绩通过了自然科学的期末考试（Abitur）。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "因为成绩优秀，我被录取到达姆斯达特工业大学（现为Technical University Darmstadt）学习。 当时，由于大多数房屋物尚未修复，因此严格限制出入（numerus clausus）。 span style="text-indent: 2em "那时候，由于母亲不得不从银行借钱来重建我们的房屋，家里的财务状况仍然很危急。因为在黑森州读州立大学是免费的，所以我能够上得起大学。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "我想报读电气工程课程，但由于电学的基础知识很少被提及，该课程没有达到我的期望。因为对电动力学的基础更感兴趣，所以我决定遵从自己的喜好，在学期结束的时候转到了物理和数学课。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "当时，祖父和母亲对我的决定很不满意。课程的变化对我来说并不容易，因为我错过了第一学期的物理和数学课程，这两门课程一般在4月份开始。为了赶上进度，我学习了大学理论物理学教授Otto Scherzer的力学讲义课程。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "Otto Scherzer是20世纪上半叶最著名的理论物理学家之一Sommerfeld的学生和助手。和他的老师Sommerfeld一样，Scherzer在微积分领域也很出色，并且对物理现象的本质有着深入的了解。在量子力学课程中，他通过将数学的形式主义与对原子世界神秘本质的物理解释相结合，展示出了卓越的教学技巧。由于我正确解答了所有的习题，Scherzer给我提供了一个带薪职位，即作为理论物理习题助手。我非常高兴，因为这给我带来了足够的经济支持来养活自己，而不必在假期从事建筑工作。此外，我可以免费住在母亲的房子里，那里距离学校步行只有几步路。/span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "span style="text-indent: 2em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 340px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/6379f81a-a42e-40a5-b9c5-52e65e4615a4.jpg" title="图片2.png" alt="图片2.png" width="450" height="340" border="0" vspace="0"//span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "strong我于1997年在达姆施塔特工业大学应用物理研究所的研讨室中介绍六极校正器的功能。/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我很钦佩Scherzer作为老师具有的杰出能力。因此，由于已经加入Scherzer的研究所，我决定在他的指导下完成Diplom论文，课题是找出通过利用电子显微镜不同的角度散射行为来检测不同原子的可能性。结果表明，由于当时的仪器技术水平不足，无法实现这一概念。尽管这令人沮丧，但量子力学散射的深入研究为我以后的电子显微镜成像工作奠定了基础。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1961年初，我获得了学士学位。那时，大多数学生和科学家都渴望在科学的中心，即美国的一个科学研究机构待上一段时间。因此，我很高兴收到了正在Scherzer研究所休假的Fischer博士的录用通知，在马萨诸塞州贝德福德的空军剑桥研究所担任为期一年的研究顾问。我的研究重点是极短光脉冲半导体光电探测器。虽然这个课题很有实际意义，但并不符合我的兴趣。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1962年回到达姆施塔特，我很高兴Scherzer同意我再次加入他的研究所攻读博士学位。按照Scherzer的建议，我在自己的论文中详细研究了非旋转对称电光系统的成像特性。目的是研制能够以另一种方式实现补偿球面像差的可行系统，就像在Scherzer-Seeliger校正器中实现的那样，并研制针对圆形透镜不可避免的球面和色差进行校正的系统。这个性质被称为Scherzer定理，它阻碍了电子显微镜在低于原子位移阈值的电压下工作时的原子分辨。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "Scherzer用非相对论近似推导了这个结果，我花了一些时间证明它在相对论下仍然有效。此外，我还证明了在任何光轴为直线的磁性系统中，色差校正是无法补偿的，但附加的电四极子是必不可少的。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "尽管Gottfried Mollenstedt在一个独创性的实验中表明，Scherzer-Seeleger校正器可以补偿球差，但这种校正并没有提高电子显微镜的分辨率，因为它受到了机械和电磁不稳定性的限制，而不是透镜光学缺陷的限制。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "为了能真正的改进，我计算了稳定性标准，必须满足此标准才能使像差校正提高分辨率。如今，不稳定性的影响在对比传递理论中被称为信息极限。计算表明，校正元件的数量必须尽可能少，并且必须机械固定，以最大程度地减少由不稳定性引起的非相干像差。我设计了一个电磁多极校正器，该校正器由四个电磁八极元件组成，每个元件都可以激发四极和八极场以及偶极和六极场的磁场以补偿寄生对准像差，从而避免了机械运动。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "获得博士学位后，Scherzer为我提供了一份薪酬丰厚的助理职位，为德语国家教授资格考试工作，这需要获得“venia legendi”，即在大学任教和成为教授的资格。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "在我题为“球面校正消色差透镜的性能”的“取得在大学授课资格的论文（habilitsschrift）”中，我论述了当时所有已知的校正器都有巨大的离轴昏迷，从而过度地减小了视野范围。因此，这些校正器不适用于常规透射电子显微镜（TEM）。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "为了补偿球差和色差和轴外彗差，并尽可能减少元素数量，我设计了一种利用对称特性的新型五元素校正器。后来证明，在设计高性能的滤光器、单色仪、镜面电子显微镜中的光束分离器以及六极校正器时，引入对称特性是关键。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "校正器是在1972年至1982年由德国研究基金会（DFG）资助的达姆施塔特项目框架内在Scherzer研究所成功制造和测试的。实验表明，该校正器引入了过大的五阶像差。为了充分减少这种像差，于1980年加入我团队的Max Haider用十二极杆元件替代了校正器的中央八极杆元件，该元件是在他的“毕业论文（Diplomarbeit）”中研制的。但是，由于没有计算机控制，他无法在短于光学系统稳定持续的时间内校准系统。结果就是显微镜的分辨率没有得到提高，尽管该项目在1982年Scherzer去世后结束并取得了成功。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 313px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/425afc87-d62b-403e-82d4-661f1809265b.jpg" title="图片3.png" alt="图片3.png" width="450" height="313" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong1998年，我在测试SMART项目的镜像校正器。/strongbr//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "在通过教授资格考试一年后，我于1970年被任命为达姆施塔特工业大学（TU）理论物理学的二级教授。1972年，Albert Crewe邀请我到芝加哥大学（University of Chicago）他的小组里待了一年。在此期间，我设计了一个新的探测器，可以在扫描透射电子显微镜（STEM）中实现高效相衬。而且，我计算了由非弹性散射电子形成图像中的非局部性。结果由Mike Isaacson和John Langmore在Crewe实验室使用STEM进行了证实。之后的20年里，我一直致力于解决与非弹性散射有关的相位问题，并与Helmut Kohl合作，他在其博士学位论文中对图像形成进行了深入的量子力学描述。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1976年初，我离开达姆施塔特移居美国，被任命为纽约州奥尔巴尼市卫生局首席研究科学家以及纽约州特洛伊市RPI物理系的兼职教授。在奥尔巴尼期间，我遇到了辐射损伤问题，这限制了生物样品的电子显微镜图像的分辨率。为了尽可能的降低这种不良影响，电子显微镜小组的主要任务之一就是找到在可耐受电子剂量下提供有关样品最大信息的方法。一种可能性是，许多相同粒子（如核糖体）的低剂量图像的相关性。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "比我早几个月加入该小组的Joachim Fran研究了该方法很多年。他的成功的开创性工作于2017年获得了诺贝尔化学奖。我研究的是寻找方法提高仪器的光学性能，可以让所有散射电子都被利用。在该项目中，我设计了几种新的电子光学元件，如磁单色仪、象限STEM探测器和像差校正的Ω成像滤镜，它们由柏林的Dieter Krahl制造并成功测试，后来被纳入蔡司的TEM中。此外，我提出了STEM中的集成差分相衬成像技术，该技术已在几年前由FEI在商用仪器中实现。我们和同事Jü rgen Fertig首次研究了聚合电子波在STEM中通过厚晶物体的传播，结果表明，如果入射波的锥角超过布拉格角，相邻原子柱之间会发生强串扰。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1980年，我回到达姆施塔特大学，成为应用物理研究所的全职教授，长期从事像差校正的研究。直到1986年，我每年都要回到奥尔巴尼几个月，以保持与奥尔巴尼的联系。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "回到达姆施塔特后不久，我在1980年夏季发现了一种出乎意料的简单校正器，可用于消除采用对称条件的电子透镜的球差，这是我在达姆施塔特四极八极杆校正器中使用的。众所周知，六极除了有三倍像差外，还有一个小的球差，其符号与圆形电子透镜的相反。因此，如果有可能以某种方式消除大的寄生三倍像差，则该系统可以用作校正器。计算表明，如果系统对近轴射线表现出双重对称性而不受六极场的影响，这确实是可能的。这种最简单的设置可以用作STEM的校正器，它由被两个六极杆包围的两个相同的圆形透镜组成。但是，没有足够的资金来实现这种校正器，因为那时所有高分辨率电子显微镜的分辨率都受到不稳定性的限制，而不是受到透镜缺陷的限制。到1980年代末，仪器的稳定性已不再是阻碍原子分辨的主要限制因素。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1989年，通过在物镜和六极校正器之间增加另一个圆透镜二倍体，我发现了一个类似光学平面系统，该系统没有球差和离轴彗差。根据这一特性，校正器可以在稳定的TEM中实现大视野的原子成像。由于电子-光学平面的高对称性和简单性，我请教了Max Haider对利用这种新型校正器成功实现像差校正的看法。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "当时，Max正在海德堡的欧洲分子生物学实验室开发和试验用于低压扫描电子显微镜的四极八极校正器的性能，因此，他可以对我观点的可行性做出最好的判断。令我惊讶的是，Max从一开始就坚信校正器可以提供真实的原子分辨率。但是，需要足够的资金才能实现该校正器。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "幸运的是，在1989年9月于萨尔茨堡举行的Dreilä ndertagung会议上，我们与Knut Urban就材料科学成功进行像差校正的前景进行了成果颇丰的讨论。Knut Urban意识到校正像差的重要性，建议向大众基金会提交一个共同的(Rose, Haider, Urban)提案，因为美国暂停了对实现像差校正的资助，其它资助机构都拒绝了该提案。与其它机构做出的令人沮丧的决定相反，大众基金会冒险于1991年开始筹资。这种支持成就了Max Haider在1997年6月成功降低基础（未校正）的点分辨率后，大众基金会有史以来最成功的一个项目。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1997年，柏林电子同步加速器BESSY II投放市场，并为开发新型光子源功能的新项目提供了资金。SMART项目的组织者Alex Bradshaw和Eberhard Umbach希望我成为致力于开发像差校正电子显微镜的科学家中的一员，该电子显微镜可以作为一个使用反射电子的低能量电子显微镜（LEEM）来工作，还可以作为一个由光子从表层发射的电子来形成图像的光发射电子显微镜（PEEM）来工作。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "我团队的任务是设计、构造和测试磁物镜浸没透镜、分离入射和反射电子束的无像差分束器以及补偿透镜球差和色差的镜校正器。四年后，这些任务完成，主要是由我的非常优秀且有远大志向的学生Dirk Preikszas、Peter Hartel和HeikoMü ller实现的。除SMART项目外，我团队还参与了由ManfredRü hle发起的Sub-eV Sub-Angstroem显微镜（SESAM）项目，以开发具有高空间和高能量分辨率的电子过滤电子显微镜（EFTEM）。Stefan Uhleman的博士论文中设计了高性能的MANDOLINE滤光片，该滤光片由Zeiss制造，并结合到SESAM显微镜中。直到今天，显微镜在斯图加特的Max Planck研究所一直以出色的性能在运行。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "尽管我所在的团队取得了巨大的成就，在国际上享有很高的声誉，也获得了许多科学家和行业的称赞，但在2000年4月，达姆施塔特技术大学却在我退休后放弃了我的研究领域。由于和美国的许多同事保持良好的联系，应美国同事的邀请，我在橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）担任了一年的研究员。在这里，我遇到了来自阿尔贡（Argonne）的Murray Gibson，他的目标是研制一种可以进行任何形式原位实验的高分辨率电子显微镜。因为只有大的物镜室才能满足此条件，所以必须校正物镜的球差和色差，以在中压下获得约0.2 nm的高分辨率，这对于减少辐射损伤是必需的。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我接受了Murray提出进行经校正物镜设计的邀请，于2001年9月移居阿尔贡。但是，2002年4月，因为检查出患有早期前列腺癌，我不得不停止在阿尔贡的工作。幸运的是，癌症尚未扩散，存活的机率很高。在美因兹大学（the University of Mainz）接受手术后，我花了一年多的时间进行康复。与此同时，随着Murray换任高级光子源主任，Lawrence Berkeley国家实验室（LBNL）的Uli Dahmen成为TEAM项目主任。美国能源部改变了该项目的目标，要求使用彩色球面校正的中压电子显微镜提供0.05 nm的分辨率。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "2003年9月，我搬到伯克利，成为LBNL高级光源(ALS)的一名研究员。由于ASL距国家电子显微镜中心（NCEM）仅几步之遥，所以我接受了Uli的邀请成为TEAM项目顾问，该项目始于2004年，并于2009年成功以0.047 nm的分辨率结束，这大约是氢原子的半径。我与CEOS公司合作设计了TEAM校正器，通过用电磁四极八极杆五联体替换六极校正器的每个六极杆，所得校正器通过保持双重对称性来补偿色差、球差和彗差。/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/ae3742be-568d-4dcb-8b7c-780a1720ceaf.jpg" title="图片4.png" alt="图片4.png"//pp style="text-align: center "strong2009年，我在M＆M会议上与Hannes Lichte教授讨论问题。/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "2007年，乌尔姆大学（University of Ulm University）的Ute Kaiser教授邀请我就像差校正进行演讲，特别是关于六极校正器的设计和功能。该校正器是其新TITAN电子显微镜的一部分，该电子显微镜是FEI公司在2005年提供的第一台商业像差校正TEM。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "Ute Kaiser对二维物体（如石墨烯）的原子结构可视化很感兴趣。然而，在300 kV电压下操作显微镜时，样品立即被破坏。幸运的是，由于进行了像差校正，显微镜能够提供在80 kV（仪器的最低可调电压）下的原子分辨率。由于该电压低于石墨烯中原子位移的阈值电压，因此能够对其原子结构进行成像。该结果证明辐射损伤也限制了材料科学中许多物体的分辨率。由于很多对辐射敏感的二维物体的撞击阈值在20 kV至80 kV之间，因此对像差校正低压电子显微镜的需求很明显。因为在这种低电压下，色差超过了物镜的球差，并且需要大的可用孔径角才能获得原子分辨率，所以有必要开发新型的校正器。高性能SALVE校正器是通过将达姆施塔特四极杆-八极杆校正器的中央多极杆分成两个在空间上分离的元素而获得的。以该系统为起点，CEOS公司成员在由Ute Kaiser发起和领导的Sub-Angstroem低压电子显微镜（SALVE）项目的框架内开发了校正器。SALVE项目于2009年开始，在蔡司终止TEM生产后于2011年中断。2013年，FEI与CEOS公司一起继续了该项目，并于2017年结束，取得了意想不到的成功，显微镜的分辨率比合同所要求的提高了近30％。在SALVE项目开始时，我成为Ute Kaiser团队成员，并于2015年被任命为Ulm大学的高级教授。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "除了和在量子力学基础上设计电子光学组件和发展电子显微镜成像理论外，我对了解电子的基本性质也一直很感兴趣。特别是，我花了20多年的时间尝试了解自旋的起源、电荷和电子的质量。为此，我采用了一种相对论的量子力学方法，其与相对论电动力学和狄拉克理论密切相关。可能是因为我不属于基本粒子领域，所以我解释基本粒子结构的新理论被忽略了，投稿的文章未经审查就被拒绝。不过，2019年12月10日，我可以在乌尔姆大学的一次特殊物理座谈会上发表我的新理论，并希望我的演讲能引发对该主题富有成果的讨论。/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/544effa6-64ee-4899-92ad-11a4ff02c2d1.jpg" title="图片5.png" alt="图片5.png"//pp style="text-align: center "strong80岁生日之际，与蔡司的代表一起在乌尔姆大学2015学术研讨会展示半块欧米茄过滤器。/strong/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/646ca763-0f23-4140-b909-ca5cd73c8a0e.jpg" title="图片6.png" alt="图片6.png"//pp style="text-align: center "strong2012年，与网球伙伴聚会。/strong/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 374px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/23d35705-a80e-44f2-b9f4-38127f463ad5.jpg" title="图片7.png" alt="图片7.png" width="450" height="374" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong2012年2月14日，我和Dorothee在一家餐厅庆祝生日。/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "在我上学后的所有时间里，我都热衷于打曲棍球、冬天滑雪和秋天在阿尔卑斯山远足。曲棍球是一项非常苛刻的运动，但会有严重受伤的风险，且这种风险随着年龄的增长而增加。因此，我不得不在50岁时放弃这个爱好，并寻找其他活动。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我选择学习网球是很自然的事，因为我的妻子Dorothee是一位非常有才华的网球运动员，曾在当地一家体育俱乐部的球队中打过球。她愿意给我上网球课，因为没有其他人愿意和初学者一起玩。在她的帮助下，我能够找到合作伙伴并成为团队成员。尽管由于年龄大而不能进行单打，我每周与几个伙伴打双人网球。此外，我和Dorothee每年都会与前曲棍球队友及其妻子一起远足数天。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "在我的科学生涯中，我与世界各地的许多同事都有联系，这些年来，许多联系也变为了友谊。我非常感谢这些友谊，它们是宝贵的礼物。最后，我要感谢我的妻子，多年来在我周末的工作期间所给予的支持和耐心。/ppbr//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong延伸阅读：/strong/pp style="text-align: left text-indent: 0em "span style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20200608/540683.shtml" target="_self" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "【自传】像差校正电镜技术先驱之Maximilian Haider/a/span/pp style="text-align: left text-indent: 0em "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20201112/564599.shtml" target="_self" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 112, 192) "【自传】像差校正电镜技术先驱之Ondrej L. Krivanek/span/a/pp style="text-indent: 0em text-align: left "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20201204/566735.shtml" target="_self" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 112, 192) "【自传】像差校正电镜技术先驱之Knut Urban/span/a/ppbr//p

p style="text-align: justify text-indent: 2em "日前，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。a href="https://www.instrument.com.cn/news/20200602/540174.shtml" target="_self" style="text-decoration: underline "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和Ondrej L. Krivanek。/a/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/b9d1f53f-de22-4e55-bddf-c0c01576d0ad.jpg" title="1.jpg" alt="1.jpg"//pp style="text-align: center "strongMaximilian Haider，德国CEOS GmbH公司联合创始人/strong/ppstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "作为科维理奖的获奖人之一，Maximilian Haider是奥地利的物理学家。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。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "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。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "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。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "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。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "span style="font-size: 20px "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "【自传】/span/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1950年，我出生于奥地利一个历史悠久的小镇，我的父亲Maximilian Haider和母亲Anna Haider在那里经营着一家父亲从爷爷手里接管的制表店，我的长兄此时已经步入了自己的人生轨道，成为了制表师。/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 300px height: 260px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/e2d16dd2-a64c-4f1a-8242-d945013d069f.jpg" title="1960年,10岁的我在小学读书.png" alt="1960年,10岁的我在小学读书.png" width="300" height="260" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong1960年，10岁的我在小学读书/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-align: justify text-indent: 2em "为了扩大业务，我在童年时期，就被早早的认为应该成为一个眼镜师。因此，在14岁的时候，我开始在奥地利林茨做眼镜师学徒。/span/pp style="text-align:center"span style="text-align: justify text-indent: 2em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/edd1ed71-dcc3-45ac-9096-2bfcb6511b50.jpg" title="2.png" alt="2.png"//span/pp style="text-indent: 0em "span style="text-align: justify text-indent: 2em "/span/pp style="text-align: center "strong在奥地利林茨当学徒时（我是右边的最后一个人）/strong/pp style="text-indent: 0em "span style="text-align: justify text-indent: 2em "/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "第一次眼镜师认证考试后，我意识到自己并不喜欢作为眼镜师的一生。因此，在接下来的几年中，我通过了几次考试，上了大学，并在我26岁的时候，开始在基尔大学和德国达姆施塔特工业大学学习物理。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "为了毕业论文，我联系了在理论粒子光学领域做研究的Harald Rose团队。当我还是一名眼镜师的时候就知道了电子光学中常见的像差，那时进行的像差校正项目更是深深的吸引住了我。我的任务是开发一种用于像差校正器的新型十二极元件，利用该元件生成所需的强四极和八极场。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "在达姆施塔特工业大学应用物理研究所，由Otto Scherzer和Harald Rose领导的两个小组正在进行一项长期计划，即利用四极、八极杆校正系统装置校正传统TEM的Cs和Cc像差。这种校正器的开发是在七十年代末，是像差校正的最新技术，但是无法证明这确实能提高分辨率。由于自制瞬变电磁法的不稳定性失败了，而不是由于像差的限制。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "因最后一位能够使用该仪器的科学家已离开本行业，所以在完成毕业论文之前，我必须学习如何操作复杂的仪器（最早的功能像差校正TEM）：要控制大量电源的同时，还必须保持各种镜头的机械调节器稳定，整个系统的校准必须在没有计算机或CCD摄像机帮助的情况下手动进行。最后，该项目成功地证明了可以补偿Cs和Cc这两个像差，但未能显示出分辨率的提高。不过，该项目使我确信像差校正在未来可以提高分辨率，同时我也很清楚，人们应该只用足够的钱来购买最先进的TEM并首先对其进行研究以确保分辨率受到像差限制，否则，将会再次遇到相同的问题。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 299px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/eda0c272-eb6f-4790-9848-283409802f2c.jpg" title="3.png" alt="3.png" width="450" height="299" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong1984年，我与Joachim Zach一起参加布达佩斯欧洲会议/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "取得文凭后，我继续在Rose小组工作，计划对现有的像差校正TEM进行改进。不幸的是，德国研究基金会（DFG）的资助提案被拒绝了，因为Harald Rose是一名理论家，而他申请的项目是一项具有实验挑战性的任务。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "此后不久，达姆施塔特像差校正项目的第二位“父亲”Otto Scherzer去世，项目也无法获得资金。因此，我在海德堡的欧洲分子生物学实验室（EMBL）任职，开发用于STEM的电子光谱仪。对于这种设备，像差的补偿也是必不可少的。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1987年，随着针对专用STEM的高色散电子光谱仪的成功开发，以及与Rose小组的密切合作，我获得了博士学位。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 300px height: 367px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/2b221dc1-8442-4339-9aba-14d2a2db5ba4.jpg" title="4.png" alt="4.png" width="300" height="367" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong1987年，我带着小女儿参加博士庆典/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "之后，我继续将现有的两个专用STEM用于TEM，因为实现像差校正系统来提高可用分辨率的想法并没有让我失望。然而，在全球范围内，电子光学在当时的物理学中失去了吸引力。emeriti被来自其他领域的科学家代替后，几个小组不得不关闭。同样，因为全球的几个像差校正项目都失败了，各资助机构也失去了兴趣，并且人们普遍认为，高分辨率电子显微镜（EM）的像差校正行不通，并且是“不可想象的”，尤其是对于商业仪器而言。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "唯一可行的选择似乎是通过增加加速电压来减小用于物体成像的电子波长。因此，仪器体积变大，价格也更昂贵了：仪器已经非常先进，材料科学领域的高分辨率证明可以达到300kV、400 kV甚至1.2 MV；分辨率的确可以提高，然而，在TEM中观察到的物体的光束损伤大大增加。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "虽然电子光学领域的工作并不受欢迎，但我不能忘记我长期以来的想法，即扫除达到亚埃分辨率道路上最大的障碍。在生物领域里，除了一些习惯使用SEM检查完整细胞的细胞生物学家之外，几乎没有人对我的这个想法感兴趣。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "然而，在一些内部资金和与半导体公司ICT（慕尼黑）的合作下，我们能够开始在EMBL内开发像差校正SEM。Rose团队的研究生Joachim Zach提出了一种像差校正SEM色谱柱的理论，该色谱柱的分辨率应从5-6 nm降低到1-2 nm。基于此，我们与ICT合作，包括在EMBL工作了两年的ICT科学家Stefan Lanio，设计并构造了一个像差校正器。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "在为SEM构造像差校正器的这段时间内，Arthur Jones退休了，我成为小组负责人，Joachim Zach加入了团队，并继续我们的研发。因为没有钱买现代的高分辨率扫描电镜，我们利用使用过的SEM，安装了带有肖特基发射器的新型电子枪。该电子枪具有更高的亮度和更小的能量宽度。我们的像差校正系统由四个复合的静电和磁多极(十二极)元件组成。该系统允许激发所有需要的四极场来调整校正器内的象散射线路径，并使线焦点位于元素2和3的中心，在这一点上，我们通过激发强的、几乎完全平衡的静电和磁性四极场来补偿色差。在这些元件上，我们还能够通过激发强八极杆场来补偿两部分的球差，球差的第三部分由元素1和4上的附加八极杆场补偿。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1995年，我们终于能够证明物镜的色差和球面像差得到了完全补偿，并且在1 keV的加速能量下，分辨率从5.8 nm降低到了1.8 nm。这是有史以来第一次通过四极八极杆校正器提高分辨率。/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/55af1aa6-e8b4-4aff-873c-09418f1763f1.jpg" title="5.png" alt="5.png"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "但是很明显，我们的SEM校正系统是为极低的能量设计的。TEMs的解决方案，即当电子通过一个薄物体时，使用更高的能量来产生主要的单次散射事件，仍有待发现。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "在1990年代初，用于高分辨率TEM和STEM的新型电子源（场发射源）在市场上可以买到。这些电子发射器具有较高的亮度和较小的一次能量宽度等优点，这与1980年代和Harald Rose进行的多次讨论中提出的想法相吻合：通过仅将系统集中在球差补偿上，可以降低像差校正器的复杂性，如果能将一次能量宽度保持在1ev以下，并且用能量约为200kev的电子对物体成像，就能将色差引起的对比度降低降到最低。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "早在1981年，Harald Rose提出了一种用于STEM的六极校正器，该校正器仅能补偿球差。他认为该校正器对于形成探针的电子束已经足够，因为它不允许TEM需要任何视野。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1989年，在萨尔茨堡举行的显微镜会议是我们开发经Cs校正的TEM起点，此后由大众基金会资助：MPI斯图加特新订购的1.2 MeV TEM展示引发了一种方法的讨论，它能够提高TEM在材料科学中的分辨能，但是成本较高。Knut Urban是Forschungszentrum Julich的一名材料科学家，他迫切需要高分辨率的仪器，电子光学理论家Harald Rose和我讨论了为一个更便宜、具有更好分辨率和更少光束损伤项目筹集资金的可能性。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1989年底，Rose扩展了STEM校正器概念，并提出了一种在物镜后面带有附加传输系统的六极校正器，以实现可接受的视野并将其应用于TEM中。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1990年，他在《Optik》杂志上发表自己的想法，作为“球形校正半平面中压透射电子显微镜的概述”。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "与此同时，我们三个人继续讨论如何实现提出的校准器，1990年底，我们最终确定了大众基金会的拨款提案。在提交之前，我需要总干事的许可才能在EMBL内执行该项目——毕竟是分子生物学实验室，而不是物理研究所。但是由于所有的资助都是外部的，而且技术是前瞻性的，该仪器以后可以用于EMBL的结构研究，项目得到了许可。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1991年夏天，这项建议预先获得接受，并将五年里分了两个项目：第一部分的任务是在最先进的TEM获得资金之前，对概念进行验证；1992年1月，我们开始了六极校正器得研制。因此，我们的两个像差校正项目并排运行：SEM项目旨在校正1.5 kV至0.5 kV之间的色差和球差，而TEM项目旨在消除80 kV至200 kV的球差。span style="text-indent: 2em "对于SEM项目，必须采用四极/八极校正器设计，而对于TEM项目，则要开发新的六极校正器。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "在1994年夏季的巴黎国际会议上，证明了遵循Harald Rose概述的六极校正器的原理。这为新TEM的筹资铺平了道路。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1995年，仪器安装完毕，开始安装六极校正器。早在1995年底，Joachim Zach即可通过SEM像差校正器将分辨率从5.6 nm降低到1.8 nm。然而，与此同时，新的EMBL主任停止了物理仪器项目，这意味着我们组的所有合同，包括我自己的合同，将在1996年7月终止。看起来，我们已经快没有时间进行突破了。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "因此，我们与时间的竞赛开始了。1996年夏天，我们能够在TEM中显示六极校正器对球差的补偿。但是，由于物镜中附加镜头的水冷引起的不稳定性，无法证明分辨率的提高。我获得了大众基金会一个为期一年的项目资金，并且在没有EMBL额外资金的情况下获得了可用空间进行此扩展的许可。1996年秋，我们设法摆脱了一些不稳定因素，但在1997春，在物镜区域仍然很明显地存在一种不稳定因素。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "接下来的几个月是非常戏剧性的。我知道我们必须关闭TEM并将显微镜在7月底转移到Jü lich。5月，我决定在物镜下设计一个新的强透镜，以减少光束直径周围的不稳定区域。我们在6月份的时候就可以使用这种新镜片，但是在开启新镜片后的第一次测试中仍然显示出已知的不稳定性。然而，几个小时后，在午夜时分，我们突然获得了分辨率从最初的0.24 nm下降到0.12 nm的图像！/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1997年6月底，项目圆满完成。我们拍摄了一些照片用于会议演示，1997年7月，第一个经过校正的像差TEM被送到了位于Julich的Knut Urban实验室。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "没有以下两个先决条件我们是不可能实现这一重大飞跃的。首先，在1996年夏季，当EMBL很显然无法实现进一步的发展时，我们在海德堡成立了校正电子光学系统（CEOS）公司。在很短的时间内，通过专门设计的中间镜头来消除不稳定性的策略，只有在CEOS一名员工的帮助下才可行，他把新镜头的设计和建造作为自己的首要任务。其次，在该项目的最后一年中，我从Rose小组聘请了Stephan Uhlemann，他在博士期间已经研究了六极校正器的理论，以开发一种对准策略。，实践证明，该方法对于使校正器和整个仪器都处于良好对准状态非常有用。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "为什么CEOS公司成立于1996年？ 就在第一个SEM校正器完成时，我们收到了日本JEOL公司的要求，用于开发用于晶圆检查工具的SEM校正器。为了执行此任务，我说服Joachim Zach（30%）共同创立了我们公司的CEOS。另外还有Harald Rose（5%）和我所在集团的前电子工程师Peter Raynor（5%）。公司成立后，我们开始与JEOL合作，并为他们的检测工具开发了第一个商用像差校正器。Harald Rose和Peter Raynor仅充当股东，而我和Joachim Zach共同管理，并在只增加三名员工的情况下创建了这家公司。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "用于高分辨率TEM的新型六极校正器的展示引起了很多关注：实验室开始筹集资金，几家公司与我们进行了谈判，以确保获得这项新技术并出售包括新型校正器在内的仪器，德国研究基金会发起了一项为各种机构的新仪器提供资金的计划。越来越多的活动使得CEOS有必要在海德堡寻找新的办公地点，因此我们用私人资金投资建造了一座可以容纳四个单独实验室的新楼，为我们的客户——EM制造商Zeiss、Hitachi、JEOL和Philips/FEI。在2003年，我们已与四家公司达成了合作协议。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "2000年，当新的像差校正系统很显然取得了成功，受到材料科学界的广泛认可和赞赏时，美国能源部开始讨论进一步开发300 kV的超高分辨率TEM，在TEM和STEM中均达到50 pm的分辨率，不仅要求TEM补偿球面色差，还要补偿色差。span style="text-indent: 2em "随后，TEAM项目（透射电子像差校正显微镜）于2005年启动，且要在2008年夏季完成。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "2008年4月，在Argonne的DOE实验室安装了TEM原型机，并在Oak Ridge安装了经过Cs校正的STEM之后，我们终于设法将整个双校正300 kV仪器运送到NCEM/Berkeley。对于STEM，我们开发了先进的六极校正器，甚至可以补偿五阶极限像差，并显示50 pm的分辨率。但是，对于Cc / Cs校正器，我们发现在200 kV时分辨率为55 pm，在300 kV时分辨率仅为65 pm，尽管在300 kV时较短的波长有望显示出更好的结果。即使接受了像差校正的TEM，我们也没有放弃调查在300kV和200kV时失去相干性的原因。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "直到2013年，我们才能够通过计算和实验工作（主要是Stephan Uhlemann）来解释降低分辨率的原因。由于校正器内电子束的直径较大，因此任何金属中的自由电子均会通过相关作用产生小的电子电流，其较小的磁场会产生磁噪声。由于四极场的强度有限，需要较大的束径才能产生足够的聚焦功率。为了解决磁噪声的问题，我们为Julich升级了TEAM的现有副本，从而将200kv和300kv的分辨率提高到50pm。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "当我们刚刚完成TEAM项目时，乌尔姆大学的Ute Kaiser要求进行一个联合项目，以开发专用的低压（20kV至80kV最高）像差校正器。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "亚秒级低压电子显微镜（SALVE）项目是与蔡司（Zeiss）的联合项目，该项目由德国联邦政府和DFG和巴登-符腾堡州共同资助。然而，2013年，蔡司停止了TEM业务，并与FEI找到了一个新的基础仪器项目合作伙伴。/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 311px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/6719a238-98b8-47c9-b5de-1bc2ec386768.jpg" title="6.png" alt="6.png" width="450" height="311" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong我和Christa Charlotte在夏威夷/strong/ppstrong/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我们利用蔡司回酬谈判和与FEI达成新协议之间的时间来修改现有的SALVE校正器并针对磁噪声进行优化。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "SALVE项目于2016年完成，具有低能耗实现分辨率的新里程碑。例如，即使在40keV能量下，也能达到亚埃分辨率，尽管在这种能量下电子的波长要比200kV时大得多。作为实现分辨率的品质因数，采用了用于成像电子的波长：在具有挑战性的TEAM项目中，目标是达到20倍波长的分辨率。我们为SALVE项目设定了相同的目标，设法获得了20到80kV之间波长约15倍的分辨率，超过了TEAM项目的结果。与具有100倍波长分辨率的未校正TEM相比，提高了近7倍。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "除了这些具有挑战性的研发项目外，我们还必须为多家公司组织Cs校正器的生产。因此，在2005年TEAM项目启动时，我们改变了与FEI在TEM和STEM方面的合作，并准许他们根据我们的技术生产六极Cs校正器。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/cf9f8aa9-53b9-45c8-81e3-fd7c7cb481e6.jpg" title="1.png" alt="1.png"//pp style="text-align: center "strong2005年，和Joachim Frank在瑞士达沃斯举行的EM会议上/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "多年来，CEOS公司不断发展壮大，从1996年5个人组成的团队发展成为如今拥有近50名员工的企业。由于与达姆施塔特的Roses团队的密切互动，我们认识了他的博士生，并且可以聘用一些。最后，我们聚集了Rose的前7名博士生，他们都对电子光学非常了解。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我们必须将Heidelberg公司的办公场所扩展三倍，到2019年底，全球共安装了约900台基于CEOS技术的六极校正器，约占像差校正电子显微镜全球市场的90％。br//pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 295px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/a7666669-5faf-4411-854c-27463941b80f.jpg" title="7.png" alt="7.png" width="450" height="295" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong一群曾经在CEOS公司工作的H.Rose的学生在大楼前庆祝10周年/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "当我从眼镜师转为物理学家时，妻子Brigitte在1988年被诊断出患有癌症，我的生活发生了巨大变化。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1989年，我们从达姆施塔特搬到海德堡附近的一个村庄，住在离我当时工作的EMBL更近的地方。妻子于1990年去世，同年，Harald Rose、Knut Urban和我建立了经Cs校正的联合TEM项目，并且正为该项目筹集资金。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "随着Brigitte病情的发展，她碰巧遇到正在休产假的新教牧师Christa Charlotte，她的孩子与我的两个孩子的年龄相近。在接下来的几个月中，Christa Charlotte承担起了对我妻子精神上的照顾，Brigitte去世后，作为单亲妈妈的她很支持我。我们坠入了爱河，于1995年建立了一个共同的家庭，并在2000年幸福地结婚。我感到非常荣幸，感谢我的第二任妻子和所有的孩子，我的生活经历了这种积极的变化。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 299px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/88d5d50c-2606-4318-8bc5-dd5f5d8697bc.jpg" title="8.png" alt="8.png" width="450" height="299" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong2008年，我与K.Urban和H.Rose在本田奖庆祝活动后的合影/strong/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 423px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/684f5c59-1526-4dfc-82dd-a8b926dcb504.jpg" title="9.png" alt="9.png" width="450" height="423" border="0" vspace="0"//pp style="text-indent: 0em text-align: center "strong与H.Rose一起参加海德堡大学生日研讨会/strong/pp /pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong延伸阅读：/strong/pp style="text-align: left text-indent: 0em "span style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20201104/563818.shtml" target="_self" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "【自传】像差校正电镜技术先驱之Harald Rose/a/span/pp style="text-align: left text-indent: 0em "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20201112/564599.shtml" target="_self" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 112, 192) "【自传】像差校正电镜技术先驱之Ondrej L. Krivanek/span/a/pp style="text-indent: 0em text-align: left "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20201204/566735.shtml" target="_self" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 112, 192) "【自传】像差校正电镜技术先驱之Knut Urban/span/a/ppbr//p

p style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) font-size: 18px "strong【简介】/strong/spanbr//pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/c8389825-135e-47c3-8dd3-de93f46e828e.jpg" title="91b36629-908d-449c-8019-9fb14da2dc83.jpg" alt="91b36629-908d-449c-8019-9fb14da2dc83.jpg"//pp style="text-align: center "strongOndrej L. Krivanek/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "Ondrej Krivanek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。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "剑桥大学毕业后，Ondrej 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。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "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，该成果于2002年发表。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "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。他与Maximilian Haider、Knut Urban、Harald Rose一起获得了2020年度科维理奖（Kavli Prize）。/pscript src="https://p.bokecc.com/player?vid=C5FEDAA47F2B90169C33DC5901307461&siteid=D9180EE599D5BD46&autoStart=false&width=600&height=350&playerid=621F7722C6B7BD4E&playertype=1" type="text/javascript"/scriptp style="text-align: center "span style="font-size: 18px "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "br//span/strong/span/pp style="text-align: center "span style="font-size: 18px "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "【自传】/span/strong/span/ppspan style="font-size: 18px "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "/span/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我出生于捷克斯洛伐克（现为捷克共和国）的布拉格，那时候，苏联和其他社会主义国家为自身的科学技术成就和教育体系感到自豪。1961年4月，Yuri Gagarin成为第一个绕地飞行的人。我和伙伴们因此受到鼓舞，成立了宇航员俱乐部，并且，我们的“火箭乘员RP-35”文章在布拉格最受欢迎的日报——img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/d887de42-7b70-4098-af27-5c91367cfc71.jpg" title="捕获.PNG" alt="捕获.PNG"/头版发表，这是一件非常开心有趣的事。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我父母是在第二次世界大战结束后相遇，战争给他们带来了苦难。父亲是一名化学工程师，专门研究彩色摄影化学，并且撰写了摄影方面的书籍，退休后，他还从事编辑月刊Zpravodaj。母亲的专业是新闻学，后来她成为了一名图书管理员。祖父是学校法律方面的专家，外祖父从事摩托车研制，在布拉格的捷克国家技术博物馆（the Czech National Technical Museum）中就展出了一辆他设计的摩托车。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "高中时期，我最喜欢的科目是数学和物理，学校鼓励对这些科目感兴趣的学生参加课外竞赛，也会布置一些具有挑战性的家庭作业，我非常喜欢解决这些有难度的任务。那时候，我参加了全国的数学和物理比赛，并且都获得了奖项。获奖的学生就可以进入更高级别的比赛，1968年6月，我代表捷克斯洛伐克参加了在布达佩斯举行的第二届国际物理奥林匹克竞赛，获得了第二名。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "奥林匹克竞赛由img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/ced3a030-e739-47df-84af-2d8e25f854cd.jpg" title="捕获.PNG" alt="捕获.PNG"/教授和另外几个专职老师于1959年在捷克斯洛伐克发起，并于1967年成为了国际比赛。我们获得了第二名，仅次于匈牙利的“本土”团队。从那以后，我有幸与另一位前国际物理奥林匹克选手niklas Dellby共事，他是我在Nion的搭档。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我的另一大爱好是使用轻木和半透明的轻质纸组建飞机模型。我喜欢组建飞机模型和研究如何使它们变得更好。控制飞机飞行是一件非常有趣的事情，但对我来说，设计和组建的过程更令人有满足感。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "在选择大学专业时，我在数学和物理之间左右为难。飞机模型组建的爱好使我选择了物理学，因为它是一个更加实用的专业，也许能让我建造出有趣的机器。我参加布拉格查尔斯大学（Charles University）数学-物理系的入学考试后，就去了法国和英国过暑假，并计划在大学开学的时候回到布拉格。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1968年8月，当苏联及其追随者入侵捷克斯洛伐克以阻止由img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/70a12fb8-ad0f-4a07-a1ab-226cf1f533d5.jpg" title="捕获.PNG" alt="捕获.PNG"/领导的民主运动时，我正在伦敦，并决定留下来，而我的父母和姐姐移民到了瑞士的弗里堡附近定居。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "英国人非常同情这个被苏联坦克占领的欧洲小国的公民。利兹大学（The University of Leeds）慷慨地为想要在英国学习的捷克斯洛伐克学生提供了五项奖学金，我很幸运，获得了其中一项。我在利兹大学学习了三年物理，度过了一段美好的时光。我学会了用约克郡口音讲英语，遗憾的是，后来这项技能被遗忘了。我以全班第一名的成绩毕业，并被剑桥大学Cavendish实验室录取，成为一名研究生。Archie Howie教授是我的博士生导师，他灌输的严谨标准陪伴了我的整个学术生涯。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我的研究课题是使用电子显微镜表征非晶态材料的结构，然后使用最新的电子显微镜解析各种材料的原子平面。我从“非晶态”碳中获得了0.3 nm分辨率的图像，并且表明了碳中含有小的石墨纳米晶体(Krivanek, Gaskell and Howie, Nature 1976)。这项工作让我意识到，只有具有更高分辨率的电子显微镜才能在原子尺度上清晰地观察物质的结构。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "20年后，当像差校正显示出可使分辨率大幅提高的希望时，我又回到了这个课题。电子显微镜是探索原子世界的强大工具，用途广泛，我迷上了使用它们，并产生想要让它们变得更好的想法。当时，世界上分辨率最高的电子显微镜在日本京都大学（Kyoto University）Keinosuke Kobayashi教授的实验室里：Yoshinori Fujiyoshi用一台500 keV的仪器获得了铜酞菁分子图像，所有原子（氢除外）都清晰地分辨了出来。我向英国皇家学会申请延长居留时间，并获得了成功。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "当去了京都之后，我发现纸上的电子显微镜是世界上最好的，它的电子源很弱，不能使我们看到足够好的图像以优化显微镜的设置。因此，Seiji Isoda和我开发了一种快速的“辅助调节”程序，使人们能够正确地设置显微镜且不需要盯着昏暗的屏幕看。结果得到了清晰的锗晶体中复杂缺陷的图像，所有投射原子的位置都可以从图像中“读出”。这是我研发改进显微镜调整方法的开始，事实证明，这是成功进行像差校正的必要组成部分。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "在京都待了一段时间之后，我又进行了三个月的陆路旅行，从亚洲返回欧洲，体验了许多不同的文化，然后在美国新泽西州默里山的Bell实验室开始了博士后工作。那时候，Bell实验室非常有实力，我与其他人共同工作，其中一位是Dan Tsui，他发现了分数霍尔效应（the fractional Hall effect），并因此在几年后获得了诺贝尔奖。span style="text-indent: 2em "Bell实验室有许多有趣的材料和设备，但没有显微镜能够解析它们的原子结构。当时的解决办法是，在Bell实验室制备样品，然后经John Silcox教授和Steve Sass教授的协助，在康奈尔大学（Cornell University）使用和我在博士期间所用的相同类型电子显微镜对它们进行成像。这项工作制备出了MOSFET器件中最重要的Si-SiOsub2/sub界面的原子分辨成像。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我的下一个博士后工作是在加州大学伯克利分校的Gareth Thomas教授团队。该团队隶属于材料科学系，但是与材料相比，我对先进的技术和仪器更感兴趣。我认为电子能量损失谱（Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS）是一项特别有趣的技术。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1978年，我在康奈尔举行的分析电子显微镜研讨会上第一次接触到这项技术，在那里，我遇到了一些人，他们成为了我一生的朋友，如Pat Batson、Christian Colliex、Ray Egerton和Mike Isaacson，我们被期望建立自己的光谱仪——那时候还没有商业模型。因此，在Peter Rez的大力帮助下，我设计并制造了一台紧凑型光谱仪，Peter Rez为这台光谱仪编写了软件。从最初的构想到一台可以工作的光谱仪，整个过程共耗时10个月，这是我第一次研制一个完整的仪器并把它应用到有趣的问题上。我遵循了五个简单的原则，这些原则对我后来的项目也非常有用：/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1） 适度启动，从一个比大项目更容易完成的小项目开始。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "2） 仔细考虑那些会影响性能并且以后很难更改的设计选择。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "3） 动作要快，不要把事情搞砸。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "4） 从第一个设计中吸取教训，然后再进行第二个设计，以解决仅在第一个设计开始工作后才变得清晰的问题。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "5） 与他人合作以帮助项目更快地进行。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "后来我添加了第六条：/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "6） 当进入由新仪器支持的未开发的研究区域时，请通过产学合作进行研究，其中由工业合作伙伴提供仪器以及如何操作仪器的专业知识，由合作大学（或研究机构）提供解决问题的方法、样本、理论知识以及热情的学生和博士后。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我的第一台光谱仪的主要局限性在于，除了一阶，它没有像差校正功能，这限制了可以提供良好能量分辨率的入口孔径大小，从而导致信号收集效率低下。因此，我采用了第4和第5个原则，与Gatan的Peter Swann和顾问Joe Lebiedzik以及康奈尔大学的Mike Scheinfein密切合作，研制出了修改设计，组建出的光谱仪具有完整的二阶像差校正，其信号采集效率比第一款光谱仪高约100倍。这是像差校正有用性的有利验证。我还从Peter那里学到了很多东西，Peter拥有出色的设计天赋，我们成为了密友。那款光谱仪被称为Gatan系列EELS 607型，获得了商业上的成功。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "这个设计是在我转任新职位后完成的，即在亚利桑那州立大学（Arizona State University）担任由NSF资助的HREM设施的助理教授和副主任。Gatan向ASU捐赠了一款新的光谱仪，我们与合作者一起将其应用于许多有趣的问题，并把迄今为止使用的所有稳定元素的EELS图集汇总在一起。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "ASU是一个工作的好地方，员工或长期来访者中有许多电子显微镜专家：John Cowley、 Peter Buseck、John Spence、Johann Taftø 、Naoki Yamamoto、Channing Ahn、Kazuo Ishizuka、Ray Carpenter、Sumio Iijima (2008年Kavli奖获得者)等。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "但是，当Peter Swann将Gatan研发中心从匹兹堡移至旧金山湾区时，加利福尼亚的魅力就变得不可抗拒。1985年，我成为Gatan的研究主管。接下来是一段富有成果的时期，在此期间，我们推出了许多成功的仪器，包括并行检测EELS、柱后成像滤镜、CCD相机、扫描图像采集系统以及数字显微照相和EL/P软件。这段时间里，Gatan的规模增长了近10倍，我了解到，制造商用仪器是资助仪器研究的一种好方法，尤其是当与志同道合的研究人员和精通科学的管理人员合作时，他们能了解比较好的科学价值。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我们在Gatan研制的成像滤波器使用了四极光学器件，并使用六极杆校正了二阶像差和畸变（图1）。成像滤镜执行两个不同的电子光学任务：它们在能量选择狭缝上形成能量损失谱，充当光谱仪，然后将通过狭缝选择（滤波）的部分光谱转换成图像，作为投影镜头系统。这使得它们的光学与整个电子显微镜的非常相似。我们的滤波器使用的校正原理和后来由我和Niklas Dellby研制的像差校正器相同：四极杆赋予高阶多极杆内部光束不同的一阶特性，多极杆校正了高阶像差/失真。尽管当时的光学系统看起来很复杂，但对软件的认真学习可以让仪器变得易于操作。更高版本的滤波器使用八极杆实现了三阶像差校正。这项课题的完成使我相信，我有很大可能性来校正电子显微镜物镜的三阶（球面）像差——自从Otto Scherzer在1930年代和40年代研究该问题以来，这就是电子光学中的一个经典问题。/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 571px height: 355px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/b4172849-171a-4ab0-bc28-a33dd8674086.jpg" title="图片1.png" alt="图片1.png" width="571" height="355"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong图1. 一款使用四极(Q)和六极(S)校正二阶像差和畸变的成像滤波器。它工作得很好，使我充满信心，显微镜物镜的球面像差校正器将不会很难制造。O.L. Krivanek et al., Microsc. Microanal. Microstruct. 2/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1950年代至70年代，德国和英国制造了几台成功的原理校正器，但在实际性能方面，其取得的成功都没能超过最好的未经校正的显微镜所达到的成就。有几个有雄心且费钱的校正器项目未能实现目标，给研究像差校正的人员带来了一种不可能成功的思想。这使得研制像差校正器对Gatan来说成为了一个过于投机的项目。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我很想研制一台，因此我尝试在其它地方进行。我第一次为校正器争取资金是在1992年左右与时任伯克利国家电子显微镜中心主任的Uli Dahmen聊天，但没有成功。幸运的是，我说服了我母校（剑桥大学）的Mick Brown，他有一台备用的真空发生器冷场发射(CFE)扫描透射电子显微镜(STEM)，我们应该尝试为它建立一个校正器。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1994年初，我们与Andrew Bleloch一起向英国皇家学会申请了资金，并从保罗仪器基金会获得了8万英镑的资助。1995年9月，我与家人一起移居剑桥，在Cavendish实验室工作了两年，并在那里获得了博士学位。我于五年前和Niklas Dellby在Gatan合作，当时他正在麻省理工学院攻读博士学位，还有其他人加入了这个项目，Robinson学院授予了我Bye奖学金。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我们有两个关键的认识。第一，像差校正对STEM的益处最大，与传统透射电子显微镜相比（CTEM），STEM的工作受到色差的影响较小，且校正的益处是传统透射电子显微镜的两倍：小型探头具有更好的空间分辨率和更强的束流，从而大大改善了STEM的光谱性能。这就是为什么我们从一开始就专注于STEM像差校正，结果证明我们的预感是正确的：现在，世界上像差校正STEMs的数量是像差校正CTEMs的两倍以上。第二，球差校正需要复杂的电子光学器件，这必然会引入很多“寄生”像差。这些问题不能通过精心构造而避免，但是可以对其进行特征化和逐一取消。如果不采取此步骤，校正器也许能够固定球差，但是强寄生像差可能会使整体成像性能变差。我们专注于研发STEM自动调谐算法，该算法使用我在之前表征像差的工作中率先提出方法来量化寄生像差。在这部分的项目中，我们得到了Andrew Spence和Andy Lupini的大力帮助。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "如果电子显微镜可以使用玻璃透镜，那么像差校正将非常容易：只需按照要求对关键的“物镜”进行形状调整，使其形成正确的四阶抛物线形状，以消除球差(Cs)。但是，与穿过玻璃而没有太多散射的光不同，电子会被物质强烈散射，并且由固体材料制成的透镜对它们不起作用（除了一些特殊的例外）。取而代之的是，它们被延伸到真空的磁场聚焦，在真空中电子传播，场分布服从拉普拉斯方程，其结果是在圆形透镜中无法避免强烈的正球差。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我们的解决方案与1960年代在英国剑桥研制的原理验证校正器类似，它使用非圆形四极和八极透镜，其中电子束的横截面制成椭圆形，且先在一个方向上，然后在垂直方向上，赋予了理想的像差特性。我们还确保可以测量并修复每个重要的寄生像差。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1997年夏，我们获得了修正STEM分辨率的校正图像，同年夏天，Heidelberg-Julich CTEM校正器项目获得第一批改善后的图像，并在1997年在剑桥举行的EMAG会议以及1998年在拉德洛港举行的TARA研讨会上介绍了我们的研究结果。我们在剑桥的研究结束了，1997年10月，我回到了美国。/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/d145154a-980d-4ba5-85ca-198b88c25d64.jpg" title="图片2.png" alt="图片2.png"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong图2. 第一个STEM Cs校正器的中心部分，提高了内置显微镜的分辨率，它具有6个多极载物台，其中包含强四极和八极，还有96个辅助线圈，用于消除寄生像差。 校正器Ø ~12cm/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "现在，校正器（图2）在Cavendish实验室的玻璃盒中展示，旁边展示的还有Deltrap的原理验证四极八极校正器和Cavendish的“皇冠上的珠宝”（包括J.J. Thompson发现了电子以及Watson和Crick建立的DNA模型）。我们的剑桥校正器没有改进当时最好的未校正STEM的性能，但我们的mark II校正器可以改进。在我成为西雅图华盛顿大学的研究教授后，我和Niklas Dellby设计并研制了该校正器，并在1997年底创建了Nion公司。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "图3为Nion的创始人以及Nion的第一名员工George Corbin。George Corbin大学刚毕业就被我们雇佣，在Nion工作的22年里，他为公司做出了巨大的贡献。我们建了一个实验室，以3万美元的价格购买了一台二手VG STEM（它比我们在剑桥使用的STEM还要新），然后开始研究新的校正器。资金主要来自位于纽约约克镇高地IBM TJ Watson研究中心的Phil Batson。该项目具有双重优势：它是第一台商业校正器，于2000年6月/7月交付并安装在IBM公司，并且成就了第一款能够将电子束聚焦到直径小于1埃（0.1 nm）的STEM， 由Phil设定为120 keV，之后不久，当我们在Oak Ridge国家实验室（ORNL）将类似的校正器组建到300 keV STEM中时，结果很快有了进展，Matt Chisholm和Pete Nellist解析了相距0.78埃的原子柱。/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 481px height: 304px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/ec02e79e-1114-459c-b372-f3f663748d72.jpg" title="图片3.png" alt="图片3.png" width="481" height="304"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong图3. Ondrej Krivanek，George Corbin和Niklas Dellby在Nion I大楼前，该大楼设有一个大型车库，后来我们改建把它改造为机械装配室，因此，Nion在某种程度上可以称其起源于一个车库。/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "像差校正很快成为电子显微镜的新领域。德国CEOS公司为老牌电子显微镜制造商提供校正器，最初有CTEM，后来又有STEM，而Nion公司则专注于STEM校正器，并独立完成所有的工作。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "首先，我们为VG STEM制作了校正器，将其分辨率提高了近2倍。我们下一个“大胆的想法”是：我们可以通过设计全新的电子显微镜来拓展校正器的功能，并且我们会比老牌的显微镜制造商做得更好。我们研发的显微镜Nion UltraSTEM™ 建立了许多性能基准，它使人们对材料的性质有了新认识。之后，我们为显微镜增加了许多其他的，通常是革命性的功能，如下所述。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "例如，我们的新STEM制出了二维材料(如石墨烯)和一维材料(如纳米管)令人惊叹的图像。我们利用来自爱尔兰都柏林三一学院（Trinity College）的Valeria Nicolosi和日本先进工业科学技术研究院（National Institute of Advanced Industrial Science and Technology）的Kazu Suenaga所提供的样品进入了这一领域。Niklas和我把这些样品带到橡树岭国家实验室(ORNL)，在那里，我们花了一个周末的时间研究Nion交付给客户的第四架电子显微镜。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "当时的普遍观点是，我们使用的成像技术（高角度环形暗场(HAADF)成像）不能有效地对像碳这样的光原子进行成像，认为该信号太弱而无法对单个原子进行成像。与这种“观点”相反，我们在一次60 keV的情况下获得了纳米管和石墨烯的清晰图像，避免了样品的严重破坏。我花了很多时间操作其他电子显微镜，但从未见过像Nion仪器所显示的那样清晰的图像。我不是一个喜欢惊呼的人，但我记得我停了一下，把椅子从控制台往后推开，然后宣布：“Niklas，我们做了一个非常好的显微镜！”/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我不是唯一这样认为的人，一天晚上，在ORNL做博士后的Juan Carlos Idrobo走进实验室，当他看到我们获得的结果时，他看很长一段时间，好像粘在了那个地方一样。不久之后，他和其他人开始在ORNL进行类似的实验，几个月后，Matt Chisholm制出了一张标志性的BN单分子层原子取代图像，并登上了《自然》的封面上（图4）。随后在ORNL获得的结果显示了固定在石墨烯薄片上的由6个硅原子组成的结构是如何在两个相当稳定的构型之间来回跳跃。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "大约同一时间，在橡树岭和Daresbury Super-STEM实验室中，从嵌入石墨烯中的单个Si原子获得了具有精细结构特征的EEL光谱，也在实验室中从2D MoSsub2/sub片中雕刻了半导体MoSsub2/sub纳米线，并且维也纳大学的一个研究小组能够通过电子束在石墨烯片中按选定的方向“驱动”单个Si原子。可用束流的增加，使材料的元素组成能够通过EELS和能量色散X射线光谱法（EDXS）在原子分辨率上有效地映射出来，这正是我们所期望的。/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/2b803d25-ee00-4eb7-8f95-9ce510239343.jpg" title="图片4.png" alt="图片4.png"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong图4. 《自然》期刊2010年3月25日的封面。 它显示了具有原子取代的单层BN的中角环形暗场（MAADF）STEM图像。将实验图像着色以对应于使用图像强度识别的原子类型，并在透视图中进行渲染。红色= B（硼），黄色= C，绿色= N，蓝色= O。Krivanek等人，Nature 464（2010）571-574./strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "也可以使用不同元素的EEL光谱中的化学位移来映射成键信息（图5）。所有这些功能只是Nion经像差校正的STEM所能实现的不同研究的一小部分。现在，全球有超过20台这样的仪器，还有约700台由其他制造商制造的像差校正STEM。在一个专题论文中覆盖使用这些仪器完成的所有创造性工作是不可能的。/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/6665f87c-c8c7-476e-ab7c-91e55449b3b7.jpg" title="图片5.png" alt="图片5.png"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong图5. EuTiOsub3/sub晶体中Eu原子的EELS图导致了与DyScOsub3/sub原子尖界面。图中每个像素的强度显示了从该像素获得的光谱算出的Eu浓度，无论原子是3+Eu（绿色）还是2+Eu（红色），颜色都是如此。插入图显示了从界面（绿色）和远离界面（红色）的Eu M4,5边缘阈值峰，由于Eu价的变化，化学位移为2.5 eV。 L.Kourkoutis，D.A. Muller等人，proceedings IMC17 (Rio de Janeiro, 2010)./strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我们在软件方面的努力增强了像差校正的先进性，使仪器功能更强大且更易于使用。如果没有像差校正，将无法实现能量分辨率的提高：我们研发的单色仪和电子能量损失光谱仪都采用了我们首先介绍的用于像差校正的设计原理。这些仪器的光学特性和无与伦比的稳定性已将EELS的能量分辨率达到3 meV（相对于不使用单色仪的电子显微镜，能量分辨率提高了约100倍），并且在常规情况下可达到5 meV。这种分辨率级别允许在电子显微镜下进行振动光谱分析，并开辟了的新研究领域：声子（包括声学声子）的0.2-2 nm空间分辨率成像及其与晶体缺陷的相互作用； 检测和绘制氢分布图的能力； 区分不同的同位素（图6）； 以及有机和生物样品的无损分析。/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/4e3ccdd0-225d-455b-99d6-7452bd28efcb.jpg" title="图片6.png" alt="图片6.png"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong图6. L-丙氨酸两种形态的实验振动光谱，其区别在于单个的12C原子被13C取代。由于C=O键的延伸，在200 meV处，高峰的4.8 meV位移可以映射为揭示约100 nm空间分辨率下这两种类型分子的位置。J.Hachtel等人,Science 363 (2019) 525–528./strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "在电子显微镜下分析生物样品的振动特征且不会造成重大损坏的能力尤其令人兴奋。它基于在我们所研究的振动能量（20-500 meV）下，激发光声子的偶极相互作用被局域化了，并有可能在30-100 nm甚至更远距离电子束的区域探测分子振动。当电子束离得很远时，每个高速电子可以传递到样品的能量通常被限制在 1eV，并且没有明显的辐射损伤。空间分辨率不如将电子束照射到样品上并利用非偶极子信号时高，但在30-100 nm分辨率下探测冷冻水化生物样品中存在什么分子的技术仍有很多重要用途。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我是在柏林洪堡大学的Christoph Koch小组里，与洪堡大学的Christoph、Benedikt Haas、Zdravko Kochovski和JohannesMü ller以及Nion的Tracy Lovejoy、Niklas Dellby和Andreas Mittelberger合作，一直在探索这一想法。当冠状病毒大流行袭来的时候，我们已经把所有需要的仪器放在一起准备开始实验，并且，我决定返回华盛顿州。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我们计划在疫情允许的情况下尽快恢复工作。仪器设备的研发类似于探索未知领域，就像于200年前Alexander Mackenzie和David Thompson探索美国太平洋西北地区的方式，猜测在哪个方向上会有什么欢迎之地，之后是漫长的探险之旅，每天克服困难和障碍的聪明才智决定了成败。所有的探索者都尽了最大的努力，有时偶然的发现会给正确的方向带来关键性的推动。我非常感谢Nion实验室的合作伙伴，感谢他们付出的巨大的且显有成效的努力（图7）。/pp style="text-align: center "img src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/d1542126-534d-489f-9a1b-aeb13ae166f2.jpg" title="图片7.png" alt="图片7.png" style="text-align: center max-width: 100% max-height: 100% width: 617px height: 133px " width="617" height="133"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong图7. 2019年8月Nion Open House集体合影。照片中Nion团队有Niklas Dellby、Tracy lovejoy、Chris Meyer, George Corbin、Russ Hayner、Matt Hoffman、Peter Hrncirik、Nils Johnson、Josh Kas、Ben Plotkin-Swing、Lemek Robinson、Zoltan Szilagyi、Dylan Taylor、Janet Willis和Ondrej Krivanek，以及Nion的合作伙伴Toshi Aoki、Nabil Bassim、Phil Batson、Andrew Bleloch、Wouter van den Broek、Peter Crozier、Christian Dwyer、Meiken Falke、Jordan Hachtel、Fredrik Hage、Bethany Hudak、Juan Carlos Idrobo、Demie Kepaptsoglou、Jani Kotakoski、Richard Leapman、Andy Lupin、Alan Maigne、Clemens Mangler、Molly McCartney、David Muller、Matt Murfitt、Xiaoqing Pan、Luca Piazza、Quentin Ramasse、David Smith、Rhonda Stroud、Toma Susi、Luiz Tizei、Kartik Venkatraman、Wu Zhou等。/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "我特别感谢Niklas Dellby，我们与他一起创建了Nion，并愉快地合作了近30年。没有他的才华和努力，就不可能有这里所描述的进展。真是一次美妙的航行！/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "对我们所爱的人来说，持续研究并不容易，正是他们的关心和支持让我们继续前行。感谢我的女儿Michelle和Astrid，感谢我的侄子David对我的爱和理解，也感谢Eda Lacar（图8）对我的爱和支持，她以许多奇妙而出乎意料的方式扩展了我的视野，使我成为一个更好的人。/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/85cd3419-d863-42e7-ac6e-7559c9efdf5c.jpg" title="图片8.png" alt="图片8.png"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong图8 Ondrej Krivanek和 Eda Lacar在亚利桑那州立大学西南像差校正电子显微镜中心前。 该中心有3台像差校正电子显微镜，在纳米表征方面发挥着世界领先的作用。/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongbr//strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong延伸阅读：/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong/strong/pp style="text-align: left text-indent: 0em "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20201104/563818.shtml" target="_self" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 112, 192) "【自传】像差校正电镜技术先驱之Harald Rose/span/a/pp style="text-align: left text-indent: 0em "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20200608/540683.shtml" target="_self" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 112, 192) "【自传】像差校正电镜技术先驱之Maximilian Haider/span/a/pp style="text-align: left text-indent: 0em "strong/strong/pp style="text-indent: 0em text-align: left "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20201204/566735.shtml" target="_self" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 112, 192) "【自传】像差校正电镜技术先驱之Knut Urban/span/a/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "br//p