三维断层成像技术（tomography），打破了传统二维投影成像的限制，越来越广泛的应用到材料研究领域，极大的促进了对材料构效关系的研究。这项技术发展至今，已经成为了研究材料科学的有力手段。因为其重要性，MRS邀请Hanfei Yan，Peter W. Voorhees， 和 Huolin Xin 三位科学家作为特邀编辑，迎来纳米三维断层成像技术的特刊。今天小编就通过这三位国际知名专家所写的概论文章，来盘点一下目前断层成像技术在材料科学领域最前沿的进展。
Tomo一词来源于古希腊语，意为片层，顾名思义，tomography就是通过一系列二维片层图像，通过数学变换得到物体三维结构。最常见的例子如医用CT，通过采集不同角度的X射线信息，得到病人病变组织的确切信息。为了实现纳米尺度tomography，科学家使用两种不同的入射信号进行成像：高能X射线和透射电子束。
高能X射线：由于高能X射线难以聚焦，因此长期以来难以直接用以成像。在70年代科学家利用菲涅尔波带片第一次建造了透射X射线显微镜（TXM），紧接着，在80年代，扫描透射X射线显微镜（STXM）也成功研制，随着纳米光学器件工艺的飞速发展，X射线成像技术的空间分辨率已经达到10nm，商业化的TXM分辨率也已经达到50nm的分辨率。X射线成像常见的两种模式为扫描模式以及透射模式。扫描模式与其它扫描显微镜类似，利用聚焦的X射线束斑对样品进行逐行扫描，并且同时收集产生的荧光，衍射以及透射信号，这些信号可以对样品的形貌，元素分布以及应力分布等同时进行成像。扫描模式的分辨率受限于X射线探针的尺寸，并且通过叠层衍射成像技术可以更进一步提高空间分辨率。
通过样品台的旋转采集不同角度下的2D图像，可以对样品进行三维重构，但是通常来说这是一个很漫长的过程。与之相反，全场TXM可以在很短的时间内直接对整个样品进行拍照，更加适合观测样品的动态过程 ，图1d展示了Ag晶须在Cu表面的原位生长过程。然而TXM缺点在于，X射线吸收强度是唯一的衬度，对于X射线吸收较弱的样品不敏感。目前，TXM结合同步辐射光源，可以在元素吸收边附近进行能量扫描，从而可以实现纳米材料元素，价态以及形貌的三维变化过程。
▲图1：TXM/SXM原理以及应用
透射电子束：与X射线类似，电子束穿透薄样品并产生各种信号，也可以用来进行三维成像。由于球差矫正器的出现，先进的电子显微镜分辨率可高达50pm，然而由于光阑数值孔径限制，其纵向分辨率往往比较低。绝大多数Electron tomography通过一系列样品倾转并采集二维图像得到。
相比于TXM的tomography，ET优势不仅在于极高的空间分辨率，更重要的是多样的信号可以对样品的化学组成，电子态，晶向，位错，缺陷等进行三维成像。图2a-b 展示了NiCo合金颗粒在原位氧化过程中形貌（HAADF-STEM tomography）以及元素分布(EELS-STEM tomography)的动态变化。由于Kirkendall效应氧化过程会形成空心状，但是氧化物壳层破裂则会使O2扩散到颗粒内部形成多孔结构。而元素分布的tomography则显示了对于这种多孔结构，颗粒的内外表面由于O2的作用都会富集Co。图2c显示了NiO纳米片边缘的三维形貌（BF-TEM tomography）并不是单一的结构，而是由（001）晶面和（111）晶面共同组成。
▲图2：不同采集模式下的electron tomography
对于软物质或者生物材料来说，控制电子辐照极为重要。Xin等人通过低压低电子剂量技术（Low-dose tomography）实现了对有机/无机材料的三维成像，图2d显示了聚合物包裹Au颗粒的三维结构。图2e则显示了Miao组的原子分辨率的重构，并且能够区分重原子与轻原子。而图2f展示了另一种三维成像技术-单颗粒成像，这项技术通常应用在DNA等有机大分子的重构。
对于所有的tomography技术而言，都会存在一个共有的问题---缺失角度，这通常是由于采集角度并不是连续的造成的，因此在倒易空间内，采集的图像会出现很大的缺失角度，严重的影响了重构图像质量。尽管一些传统的方法也可以一定程度上弥补这种不足，但是效果差强人意。Xin等人率先地将深度学习生成对抗网络应用到tomography的重建中（图2g），通过深度学习将缺失的信息填补起来，并且消除重构过程中产生的噪音，伪影等。
但是目前ET依然存在诸多挑战：
1：样品尺寸。 电子显微镜探测深度受限于电子平均自由程，对于常见的200KeV电子，其平均自由程大约为100nm，因此，样品的尺寸最好小于这个值。
2：视场大小。断层三维重构的分辨率由Crowther准则决定。通常对于纳米尺度的重构，视场范围为100-300nm，对于原子级重构，则需要10-20nm。
3：倾转角度。大多数为tomography设计的样品杆也只能在±70°范围内倾转，通过减小铜网的大小可以扩大倾转范围。但是与此同时，对于常用的支持膜，随着倾转角度增加，纵向厚度会显著的增加，在70°的时候，电子穿透的厚度是无倾转情况的3倍，如果没有能量过滤器，TEM下采集的像分辨率会极大的降低。这就是为什么做细胞重建通常不使用超过60度的倾转的缘由。
4：图像采集数量。如果对1nm的特征区域进行成像，视场的大小通常需要50nm，图像分辨率至少需要512*512，并且考虑到辐照的限制，一个tomography通常会有70~140张投影
5：时间分辨率。尽管采集图像的过程是很迅速的，但是每次倾转后需要重新将样品移动到eucentric高度，这通常占据了大部分时间。因此对于常规的tomography，采集时间一般为1~3小时。
前景展望：
X射线tomography近年来得到了快速的发展，多种模式，纳米尺度，原位研究等都可以通过先进的X射线技术得以实现。目前X射线tomography通常会需要巨大的数据量，这使得数据分析处理都比较困难。新一代的高亮度，高相干性的X射线，结合飞速发展的机器学习，可能会为这一现状带来突破。
对于electron tomography来说，目前还远没有达到成熟的地步，其中最主要的因素在于，常规的tomo需要大量的时间用来调整样品位置，但是事实上，样品在倾转时候的移动与倾转角度其实是存在一定关系的，因此改善这一步可以大大提升采集效率。
其次，正如上文所说，缺失角度的问题存在于所有的tomography中，事实证明，深度学习可以非常有效的解决这一问题，提升重构的质量。
第三，在处理重构图像过程中，需要精确的对图像进行对准，这对于纳米尺度重构来说是比较轻松的，但是到了原子尺度，这样的对齐往往十分困难。
第四，考虑到电子辐照，尽管STEM模式拥有丰富的信号选择，但是明场像TEM较低的电子剂量对于轻元素以及一些生物材料以及纳米团簇的原子级别tomography来说是最好的选择。
尽管面临各种各样的困难，但是随着科技的不断进步，更加先进的设备，配件，技术等，一定会推动纳米重构的快速发展，并且越来越广泛的应用到材料科学的研究中。
作者介绍：
忻获麟教授，康奈尔大学博士学位，在美国劳伦斯伯克利实验室进行博士后研究。2013年到2018年间，他在布鲁克海文实验室建立了三维原位表征课题组。2018年夏，转职于美国加州大学尓湾分校物理系并建立了以深度学习为基础的人工智能电镜研究组DeepEM Lab。忻获麟教授是电子显微学领域国际上的知名专家，是电镜行业顶级年会Microscopy and Microanalysis 2020的大会主席以及2019年的大会副主席，是布鲁克海文国家实验室的功能纳米材料中心和劳伦斯伯克利国家实验室提案审查委员会成员，是微束分析学会、美国显微学会、美国纳米学会和Sigma Xi学会的会员，是Nat. Mater, Nat. Energy, Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Science Adv., Joule, Nano Lett., AM 等众多期刊的审稿人。他从事人工智能电镜和深度学习、原子级扫描透射电镜以及能谱相关的理论和技术、高能电子隧道理论以及三维重构理论等方向的研究。除了理论和方法学的研究，他应用三维电子断层扫描术对锂电池、软硬物质界面、金属催化剂等多方面进行了深入的研究。其课题组发表文章超过150篇，其中在Science，Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Energy, Nature Commun.系列顶级期刊上发表文章33篇，（其中8篇作为通讯发表）。他在表征和清洁能源方面的研究受到政府和大型企业的关注，2018年一年他作为项目带头人(Lead PI)得到能源部和企业界超过两百万美元的资助用于其课题组在绿色储能和热催化材料方向的研究。他的课题组(DeepEMLab.com)欢迎致力于研究和拓展电子显微学以及储能、催化、纳米制备、规模生产方向的学生学者加入和访问。
欢迎大家关注DeepEM Lab
附：本期专栏文章链接
Nanoscale x-ray and electron tomography
https://doi.org/10.1557/mrs.2020.90
Multimodal x-ray nanotomography
https://doi.org/10.1557/mrs.2020.85
Probing nanoscale structure and strain by dark-field x-ray microscopy
https://doi.org/10.1557/mrs.2020.89
High-dimensional and high-resolution x-ray tomography for energy materials science
https://doi.org/10.1557/mrs.2020.86
Atomic electron tomography in three and four dimensions
https://doi.org/10.1557/mrs.2020.88
Electron tomography for functional nanomaterials
https://doi.org/10.1557/mrs.2020.87
