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发展前沿技术,从原子尺度认知世界——访中国科学院物理研究所李建奇研究员

仪器信息网 2020/09/27 10:13:27 点击 2254 次
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[导读] 仪器信息网编辑有幸走进李建奇老师实验室,听李建奇老师分享了从原子尺度认知世界的前沿超快电子显微学技术,以及其与超快电子显微术的故事。

1986年4月,瑞士科学家穆勒和柏诺兹发现Ba-La-Cu-O材料在35K时开始出现超导现象。1986年底,中国科学院物理研究所赵忠贤院士团队和国际上少数几个小组几乎同时在镧钡铜氧体系中突破了“麦克米兰极限”,获得了40K以上的高温超导体。一时间,世界物理学界为之震动,“北京的赵”多次出现在国际著名科学刊物上。

同年,李建奇在中国科学院物理研究所开始其凝聚态物理专业研究生阶段学习,正是师从赵忠贤院士,从事超导材料研究。后来,鉴于电镜对功能材料的结构解析能力比较强,便于研究,李建奇到李方华院士实验室进行相关电镜技术研究工作,至此,开始与电子显微学结缘。此后的科研工作也基本围绕电子显微学技术,从物理所围绕低温超导材料研究从事的低温电镜技术,到日本无机材料研究所围绕巨磁电阻材料研究的超高压电镜技术,到2002年归国回到物理所担任中国科学院北京电镜实验室主任,再到至今一直从事的超快电子显微学研究及设备搭建。

近日,仪器信息网编辑有幸走进李建奇老师实验室,听李建奇老师分享了从原子尺度认知世界的前沿超快电子显微学技术,以及其与超快电子显微术的故事。

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李建奇: 中国科学院物理研究所研究员,博士研究生导师。曾获中科院百人计划(1998年),国家杰出青年(2002年),国家杰出青年团队成员(2002年),北京科学技术二等奖(2003)。主要从事强关联物理系统结构问题的研究,侧重于发展超快电子显微术,原位结构分析和Lorentz电子显微术。近期李建奇研究组采用独立研制技术路线成功研制了国内首台超快电镜,可实现超快电子衍射、超快实空间成像和激光原位诱导的结构变化观测,对结构动力学、新奇量子现象的探索和动态物理过程研究具有重要意义。

 随着国家一系列重大专项的实施,“纳米科技”、“量子调控”和“蛋白质工程”等具有前瞻性和战略性的前沿科学逐渐为人们所熟知。前沿科学的发展,诚然离不开本领域专家和学者的努力,但同样也离不开交叉领域,特别是实验技术领域的进步。超快透射电子显微镜(超快电镜),因能够在埃(1埃=10-10 米)-亚皮秒(1皮秒=10-12 秒)的空间-时间尺度拍摄结构的动力学过程,为解决多个重大学术问题提供关键线索,而备受全球物理学、化学、材料学和生命科学等多个领域的关注。例如,为了在原子尺度下研究药物的工作机理,2018年初英国罗莎琳德·富兰克林研究所已决定投入1000万英镑与日本电子公司(JEOL)来共同开发超快电子显微镜技术。国内,中国科学院物理研究所(物理所)的李建奇研究员在大力发展超快电子显微镜技术。他们已完成了国内第一台超快电镜样机搭建工作,正在开发第二代超快电子显微技术,并积极同其它领域的专家合作推动超快电镜在前沿科学领域的应用。

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李建奇办公室一角:专业内容之外,不乏书法、天文、地理等奇趣

一、超快透射电子显微镜——原子尺度的录像机

结构决定功能,高精度结构研究是解析物质性并实现其宏观调控的关键。那么如何来研究物质的结构呢?所谓“眼见为实”,看到“结构”是其中关键的一步。然而,对于前沿科技所关注的纳米材料和蛋白质分子来说,“看得到”并不是一件容易的事情。两者的空间尺寸大约在0.1-100纳米(1纳米=10-9米)这个量级,远远小于人眼空间分辨率的极限,约100微米(1微米=10-6米)。近几年光学成像技术虽然取得了开创性的进展,超分辨光学显微镜的分辨率能够达到几十个纳米左右,但仍然观测不到纳米材料和生物大分子的结构细节。

高分辨电子显微镜是人们认识微观世界的重要工具。先进的球差校正透射电子显微镜具有0.05纳米的空间分辨率,能够拍摄单个原子的图像,是揭示材料微观结构的有效手段。利用透射电子显微镜配套的电子能量损失谱和电子全息,可以获取纳米材料的谱学信息,以及其周围纳米尺度电、磁场的分布等多重物理信息,为把握物质的宏观属性及实现性能调控提供重要线索。特别指出的是,随着冷冻电镜技术的发展,电子显微技术已经可以用于在原子尺度上构建生物大分子的三维结构。2017年,Jacques Dubochet、 Joachim Frank 和Richard Henderson三位科学家因在冷冻电镜在生命科学领域的贡献而获得了诺贝尔化学奖。

电子显微镜能够“看得到”原子尺度微结构的强大功能,使它在微观结构解析中有着不可替代的作用。然而,随着研究工作的不断深入,人们发现仅仅看到静态的微观结构(平衡态)是不够的,要想深入分析结构对物性的影响并实现宏观调控还需要厘清微观结构的动态过程(非平衡态)。也就是说,我们不仅需要有一台很好的“照相机”能拍摄到原子尺度结构的照片,还需要有一台很好的“录像机”能够拍摄原子尺度的动态过程。这是一件非常困难的事情。物理学中的电子态演化、原子分子振动,化学反转中化学键的断裂、分子解离以及生物光合作用中的能量传递过程大多发生飞秒(1飞秒=10-15秒)至皮秒量级的时间尺度;生物大分子振动、转动,蛋白质分子折叠过程通常发生纳秒量级的时间尺度。因此,为了研究这些超快的动态过程,“录像机”必须有极高的时间分辨率,每秒能够拍摄一万亿张以上照片。这显然远超CCD相机等常规录像设备的极限。

电子显微技术在时间分辨率上的突破得益于超快激光技术的发展,利用飞秒激光泵浦-探测技术,目前超快电镜的时间分辨率可达100飞秒以下。图1简要的说明了超快透射电子显微镜的工作原理。该方法的巧妙之处主要有两点。一是利用脉冲电子成像,解决快速曝光问题。飞秒激光辐照电子显微镜阴极能够产生与激光脉宽相近的光发射脉冲电子。考虑到脉冲电子本身带有的时间宽度信息,利用飞秒脉冲电子成像,能够将相对曝光时间控制在飞秒量级。二是将时间问题转化为空间问题,解决超快计时问题。光的速度约为3108米/秒,也就是说,光每走1微米的光程需要3.33飞秒,控制激发(泵浦)激光脉冲和成像电子脉冲之间的在微米量级的光程差就可以实现飞秒量级的计时。通过多次改变光程差,我们就可以得到相对于泵浦激光不同时间间隔的结构信息,可以像老式的胶片电影放映一样,将微观结构的在原子尺度的动态过程播放出来。超快电镜除能够在实空间、倒易空间、能量空间提供信息外,还能提供原子尺度时间域的结构信息,因此也被命名为四维电子显微镜。

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 图1 超快透射电子显微镜原理示意图

二、物理所超快透射电子显微镜的发展

1. 第一代超快透射电子显微镜

脉冲电子成像的概念在上世纪80年代由柏林工业大学的Bostanjoglo教授提出,然而,直到最近的十几年,人们才将超快电镜的时间-空间分辨率提升至埃-飞秒量级。其中,诺贝尔化学奖的得主,“飞秒化学”的创始人,加州理工大学的Zewail教授为四维电子显微技术的发展作出了巨大的贡献。目前,来自美国、加拿大、德国、法国、瑞士、日本以及韩国的多个课题组都在大力发展这项超快成像技术。2012年,中国科学院物理研究所的李建奇研究员团队在中科院科研装备研制项目的支持下,率先在国内发展超快透射电子显微技术。该团队先后攻破了光发射电子枪改造技术、样品室改造技术、激光-电镜联机技术、以及弱电子计量成像技术等技术壁垒,成功搭建了国内第一台超快透射电子显微镜。物理所第一代超快电镜基于JEOL2000EX热发射电子枪,具有图像功能和电子衍射功能,其图像分辨率可达3.4埃,时间分辨率可达百飞秒,已经用于纳米材料晶格动力学、光诱导磁动力学和光诱导隐含量子态的研究工作。

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图2 第一代超快电镜显微镜(UTEM-JEOL2000EX)主要研发人员合影

超快电镜应用案例:视频S1显示马氏体(MT)过渡期间其域壁以皮秒的时间尺度溶解。显然,MT过渡从薄区域的边缘开始,然后传播到内部较厚的区域。激光能量密度为5 mJ cm-2。

视频S2显示了皮秒域内MT域壁的振动与MT过渡耦合。结果表明,MT畴壁的对比度在最初的几个周期内急剧变化,然后振荡逐渐衰减并持续数百皮秒。激光能量密度为10 mJ cm-2。

2. 第二代超快透射电子显微镜

在发展第一代超快电子显微镜时,由于缺乏技术积累,物理所和国际上其它课题组一样基于热发射透射电子显微镜来开发超快电子显微技术。然而,受限于热发射电子枪的性能,第一代超快电镜系统光发射电子的相干性较差,图像分辨率仍有待提高。因此,物理所正在致力于发展第二代超快电子显微镜技术,重点解决光发射下透射电子显微镜的空间分辨率问题。第二代超快透射电子显微镜主要基于场发射电子枪,其电子相干性明显优于热发射电子枪,并且能够兼容球差矫正技术。可以预期,第二代超快透射电子显微镜的顺利研发必将使超快透射电子显微镜的空间分辨率再上一个台阶。图3是改造完成的超快场发射透射电子显微镜,基于JEOL2100F场发射透射电镜。作为“综合极端条件实验装置”的一部分,配有先进球差矫正器及电子能量损失谱仪的第二代超快透射电子显微镜预计将怀柔科学城搭建完成,并向国内用户开放,为我国前沿科学研究工作的开展提供设备支撑。

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图3 超快场发射透射电子显微镜(UTEM-JEOL2100F)(a)超快激光与场发射电子枪联机,电镜改造和光发射性能测量结果。 初步数据显示相干性好,脉冲电子聚焦点可以小于2nm,达到国际领先水平,为高时空分辨超快电镜研制提供了保障。(b)脉冲电子和激光相互耦合的能谱结构。(c)在飞秒激光作用下,银纳米线的近场成像。

3. 冷冻超快电子显微镜的发展

冷冻电镜在生命科学领域有着重要的应用价值。为了解决生物样品的电子辐照损伤问题,探究生命物质中的动态过程,在国家重点研发计划(蛋白质机器的时间分辨率冷冻电镜成像技术2017YFA0504703)和中国科学院(生物超快冷冻电子显微镜研制2DKYYQ20170002)的支持下,李建奇团队同中国科学院生物物理研究所、北京大学积极合作,于2017年开始研发生物冷冻超快电镜(先于罗莎琳德·富兰克林研究所)。该项目的顺利实施将有望实现冷冻电镜技术的全新突破,为生物大分子的超快动态过程研究提供全新利器,引领蛋白质机器冷冻电镜技术的国际前沿。

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图4 超快生物冷冻透射电子显微镜(UTEM-JEOL2100Plus)

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图5 李建奇研究员团队合影

后记

电镜技术作为高端电子光学仪器技术,实现将之与飞秒激光技术的耦合,其技术及工艺难度可见一斑。李建奇回顾团队发展超快电子显微技术的历程中,从最初经费不足5000元买来废旧电镜拆解摸索与超快激光的关联,到日本电子协助下筛选适合的电镜机型,到获得部分经费整体研究项目步入正轨,到设备实现雏形、获得部分成果并受邀在国际会议上分享,再到生物物理所、武汉大学、北京大学等单位的定制合作与需求等,超快电镜技术从理论到设备的成功搭建,每一步都写满不易。

对于超快电镜技术十余年的坚持,李建奇坦言,首先,期望大家能够认识到,“国产化”是值得去做的,我们这一代做不好,下一代还要面临同样的需求。其次,涉及多项关键技术的电镜技术,还需要国内多方合作,齐心帮助国产电镜向前迈一步。目前,李建奇在国产化方面推进了两项工作。一项是基于扫描电镜的超快电镜,项目已启动,若搭建国产扫描电镜,整体设备国产率达95%以上,且样机已完成搭建;另一项是基于透射电镜的超快电镜,受限透射电镜技术,整体国产率还相对较低。

李建奇表示,根据刚结束的美国电镜年会M&M 2020相关信息,预期接下来几年,国际上将有300余个实验室对超快电镜有需求。且目前日本电子(今年初,日本电子收购美国超快时间分辨电镜商IDES)、赛默飞也在积极关注这项技术的商业化。当前,国际上对超快电镜技术的描述主要划分为两代,李建奇团队已着手开展球差电镜结合的第三代超快电镜技术,超快电子显微学技术,李建奇团队已经走在世界前列。

附:李建奇简介

简介

李建奇,现任中科院物理所研究员,A06研究组组长。

1986年至1990年: 中国科学院物理研究所,凝聚态物理专业研究生,1990年获得博士学位。

1991年至1993年: 北京大学物理系博士后。

1994年至1995年: 中国科学院物理研究所, 国家超导实验室副研究员。

1995年至1996年: 德国Max-Plank 固体物理研究所,电子显微镜实验室博士后。

1996年至1998年: 日本无机材料研究所,客座研究员。

1999年至2001年: 美国Brookhaven国家实验室,电子显微镜研究室访问学者。

2002年5月至今: 中国科学院物理研究所, 研究员,课题组长。

(期间:2002年-2009年,担任先进材料和结构分析研究部主任)。

主要研究方向

1.电子显微技术发展。包括: 四维超快电子显微镜研发,原位电子显微镜技术,球差校正显微镜技术和电子全息研究。

2.功能材料的微结构及结构动力学分析。

3.新型超导体的结构及结构相变研究。

过去的主要工作及获得的成果

1、功能材料微结构研究:

在Fe-基超导体和巨磁阻Mn-氧化物和电子铁电体系统的研究中,解决了一些重要结构问题,取得了多项研究成果。主要研究成果包括,KyFe1.7As2 超导系列中的Fe空位有序态和相分离结构;铁的变价态问题及五价 Fe 的存在形式;巨磁阻Mn-氧化物系统的电子轨道有序排列;钙钛矿结构中的小极化子高Tc超导体的条纹相及电子相分离;电子铁电体LuFe2O4中的低温结构相变和电荷序;Fe2OBO3中的反相条带状畴结构和磁相变点强的磁电耦合效应;新型Fe基超导体的结构,空位序和相分离特性。

2、四维超快透射电子显微镜研制:

电子显微镜在材料科学和纳米器件研究中发挥着重要作用,近期,我们在传统高分辨电子显微镜的基础上,成功研制了国内首台4D超快时间分辨透射电子显微镜. 2015年10月通过科学院专家组验收。2019年成功研发了新一代场发射阴极的时间分辨电镜。利用这种超快电子显微镜技术,可以得到物质的瞬间显微结构和原子图像(空间分辨率0.27nm),其时间分辨率达到飞秒时域(10-15秒),可以给出丰富的原子结构演变信息,超快电镜技术已经成为电子显微学的发展方向和学科前沿. 另外,我们研制的超快电镜也具传统的透射电镜的各项先进功能,可以直接进行原子结构观测和谱分析。国际专利(中国专利号:201410007910.2,国际专利号:2014/CN2014/076846).

在国际主要学术期刊上已发表论文380多篇,他人引用累计超过6800次,H-因子45。国际邀请报告80多次。近年承办了多次电子显微术和功能材料国际学术研讨会。

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