深度科学| 非晶材料的原子分辨层析成像（AET）表征，背靠背2篇Nature正刊！

编者语：

“这种“一前一后”的排版颇具象征意义，两项工作在同一期刊前后呼应，也从不同层面构建了AET方法学的“地基”和“框架”。Zuo et al.更侧重于回答 “在什么实验条件下可以做成”，通过系统限定样品尺寸、成分复杂度以及电子束剂量与采样密度，明确了AET从“可行”到“可靠”的物理边界；而Miao et al.则进一步回答了“如何把数据真正用好”，从算法与流程层面给出了可复制、可推广的完整解决方案。二者结合，使AET不再只是概念验证或个案展示，而是逐步发展为一套可标准化、可量化评估误差的三维原子表征技术。”

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背景介绍

非晶材料（Amorphous materials，缺乏长程周期性有序结构的固体体系），其原子排列不遵循晶体材料中严格重复的晶格规则，却往往在短程和中程尺度上保留一定的局域有序特征。正是这种“无序而不杂乱”的结构，使非晶材料在众多关键技术中展现出不可替代的优势。当前，非晶材料已广泛应用于薄膜电子学、太阳能电池、相变存储器、磁性器件、医疗植入材料以及新兴的量子信息技术等领域（图1），对现代信息社会和高端制造起着基础性支撑作用。

图1. 非晶材料的应用

然而，非晶材料缺乏平移对称性这一根本特征，也给其结构解析带来了巨大挑战。与晶体材料可以通过衍射技术精确确定原子位置不同，非晶材料无法依赖布拉格衍射在原子分辨率上直接重构三维结构（图2），这在很大程度上制约了人们对其结构-性能关系的深入理解。

图2. 晶体材料和非晶材料的结构和表征技术(AI)

近年来，围绕非晶材料的短程有序和中程有序结构，研究者在理论模型、散射实验和计算模拟等方面取得了重要进展，但要在实验上定量获得非晶材料中完整、真实的三维原子排布，仍然对表征手段提出了极高要求。在这一背景下，原子分辨层析成像（Atomic Electron Tomography, AET；图3）作为一种新兴的结构表征技术，为非晶材料的三维原子图谱绘制提供了直接而可行的途径，有望从根本上推动非晶材料结构研究进入原子级、三维化和定量化的新阶段。

图3. AET技术的原理示意图

2026年01月28日，伊利诺伊大学Robert Busch，左建民（Jian-Min Zuo）团队在Nature期刊发表题为“Limit of atomic-resolution-tomography reconstruction of amorphous nanoparticles”的研究论文。同时，加州大学洛杉矶分校Yuxuan Liao和 Jianwei Miao团队在Nature期刊发背靠背表题为“Accurate determination of the 3D atomic structure of amorphous materials”的研究论文。Zuo et al.的研究明确了适用于原子分辨层析成像AET的纳米粒子尺寸、组成、电子通量及图像采样要求。该研究结果为未来的实验设计提供了基准，并可利用AET验证非晶结构。Miao et al.的研究对原子电子断层扫描进行了定量分析，阐明了稳健的图像预处理、去噪、投影对准与归一化、先进的断层扫描重建、原子追踪、元素分类以及原子位置精修等步骤如何协同作用，实现对非晶态材料中三维原子坐标和元素种类的可靠测定。

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图文解析

1.文献1：Nature, 649, 1119-1122 (2026)

《非晶纳米颗粒原子分辨率断层扫描重建的极限》

（1）研究背景与问题

尽管AET技术在测定非晶材料三维原子结构方面展现出潜力，但对其在噪声、电子剂量等现实实验条件下的准确性和可靠性缺乏系统性的评估与界定。

（2）研究方法

通过模拟AET实验，系统性地改变了非晶纳米颗粒（从单质Si到多元SiGeSn、CoPdPt）的尺寸、成分、电子剂量和图像采样参数，以评估这些因素对原子定位精度和化学识别能力的影响。

图4. 两种入射电子通量条件下，小尺寸非晶硅纳米粒子的重建效果

图5. 计算层析成像质量，随电子通量与纳米粒子尺寸变化关系

（3）核心发现

1）原子定位：对于单质非晶硅纳米颗粒，只有在高电子剂量（如1.6×105e-/Å2）下才能准确识别所有原子，位置精度在数十皮米量级。剂量降低或颗粒增大都会导致伪原子出现和定位精度下降。

2）化学识别：对于多元纳米颗粒，化学识别能力高度依赖于信噪比。重原子（如Sn, Pt）较轻原子（如Si, Co）更易识别。当原子峰的强度与背景噪声重叠时，会产生巨大的化学分析不确定性。该文献模拟结果显示，在类似条件下，对CoPdPt中Co的识别率仅为~40%。

3）技术要求：研究明确了成功AET所需的条件，包括样品尺寸需与显微镜景深匹配、减少缺失楔效应、满足最低电子剂量和图像采样要求等。

4）意义：该研究为AET实验设计提供了重要的基准和警示，强调了在解读AET结果，特别是化学识别结果时，必须充分考虑实验条件带来的固有不确定性。

图6.基于计算层析成像的化学识别

图7. 图像信息容量与深度（层级数 NL）的测量及其相互关系

2.文献2：Nature, 649, 1123-1129 (2026)

《非晶材料三维原子结构的精确测定》

（1）研究背景与问题

AET技术流程复杂，每个环节的微小偏差都可能导致最终原子坐标和元素识别的系统性误差。需要建立一个可靠、定量的工作流程来实现高保真的三维重建。

（2）研究方法

提出了一个集成的、优化的AET工作流程，包括稳健的图像预处理与去噪、先进的RESIRE断层重建算法、系统的后处理（原子追踪、元素分类、位置优化）。使用与前述文献相同的模型纳米颗粒进行模拟，但采用了更先进的模拟和重建方法，并进行了直接的“头对头”比较。

图8. 208-原子和19,993-原子非晶硅纳米粒子的三维重建与原子追踪

图9. 13,982-原子非晶硅锗锡纳米粒子的三维原子定位与元素识别

（3）核心发现

1）性能显著提升：其工作流程在原子识别率和三维位置精度上大幅优于前述文献中报道的方法。例如，对于208个原子的非晶Si颗粒，在相同剂量下，其位置精度（5皮米）比前述文献的结果提升了一倍以上。

2）高精度化学识别：对复杂的CoPdPt纳米颗粒，实现了Co (95.1%), Pd (99.0%), Pt (100%)的高准确率元素识别，相应的三维位置精度分别为29 pm, 12 pm, 6 pm。研究指出前述文献结果不佳的主要原因在于投影未对准和强度归一化不当。

3）pAET技术的优势：展示了基于电子叠层衍射的pAET技术具有更高的剂量效率，在低剂量下也能成功解析轻元素非晶SiO2的原子结构和中程有序（如原子环分布）。

4）意义：该研究确立了实现精确AET的实用指南和定量基准，证明了通过系统性的流程优化，AET能够可靠地测定非晶材料的三维原子结构，并将该技术的应用潜力提升到了新的高度。

图10. 18,356-原子非晶钴钯铂纳米粒子的三维原子定位与元素识别。

图11. 原子分辨层析成像pAET（剂量为1.6×103电子/平方埃）重建的7,704原子非晶二氧化硅纳米粒子的三维原子结构与中程有序

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总结

这两篇文献围绕“原子级电子断层成像技术测定非晶材料三维原子结构”这一前沿课题，在同一期杂志上发表研究成果，形成了一场精彩的学术对话。两篇文献的本质区别在于视角和侧重点。文献1如同一个“质检员”，严谨地划出AET技术的“安全操作红线”，警示研究者注意其局限性和误差来源。文献2则如同一个“工程师”，致力于改进工艺流程，展示如何通过技术创新将AET的性能推向极致。二者共同勾勒出该技术领域的全貌：既有令人振奋的潜力，也有必须正视的挑战。

文献信息

1. Robert Busch, Peter Rez, Michael M. J. Treacy & Jian-Min Zuo, Limit of atomic-resolution-tomography reconstruction of amorphous nanoparticles, Nature, 2026, 649, 1119-1122.

2. Yuxuan Liao, Haozhi Sha, Colum M. O’Leary, Hanfeng Zhong, Yao Yang & Jianwei Miao, Accurate determination of the 3D atomic structure of amorphous materials, Nature, 2026, 649, 1123-1129.

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