世界是三维的，但大家记录的图像一直二维的。恢复失去的维度是显微学的要紧目的。伴随像差校正电子显微镜和一流的重构算法的进步，层析成像技术已能对晶体或非晶材料达成原子分辨的三维重构。然而，现在原子分辨层析成像（atomic electron tomography, AET）仅能对数万个原子的小尺寸物体进行三维重构，而且原子地方精度较低。怎么样重构更大尺寸物体，获得更高精度，是三维结构剖析的难点。

最近，清华大学材料学院于荣团队结合层析成像与深度切片，提出了一种称为多切片局域轨道层析成像（multiple-section local-orbital tomography）的办法，简称nLOT，将可重构物体尺寸提升到百万原子，而且在三个空间维度上都具备高空间分辨率和高定位精度，有关研究发表于Science Bulletin。

传统的层析成像技术在每一个倾斜角度只采集物体的正焦图像，以确保获得最好图像。nLOT使用了一种新的数据采集办法，在每一个倾斜角度采集具备不同离焦量的多幅图像，但降低倾转角度的数目，如图1所示。这类图像的离焦量并无需等间隔分布，而是大致分布在物体的整个深度范围内即可。在总剂量不变的状况下，显著降低了层析成像实验的步骤和采集时间。

图1. nLOT示意图。(a) nLOT在每一个角度获得不同离焦量的n幅图像。(b) 电子束在不同深度的切片。

nLOT将电子束与物体之间的相互用途描述为电子束与物体不同深度切片的卷积，nLOT通过像素化优化的办法达成电子束与物体的解耦。重构时无需输入图像的精准离焦量，所有倾斜角度下的所有深度切片图像均初始化为正焦条件。图2显示了nLOT优化的电子束的深度切片图。电子束展宽最小的深度与真实离焦量吻合，表明nLOT不依靠于初始离焦量，简化了实验步骤。

图2. 通过nLOT重构的电子束。(a)初始化时电子束的深度切片。(b)-(d)优化后的电子束深度切片，分别对应于切片1-切片3。红色线框表示电子束展宽最小的切片。

重构结果的地方精度如图3所示。可以看出，地方精度与原子数大约呈线性关系。nLOT的斜率明显小于其它几种单切片层析成像办法。即便对于由100万个原子组成的模型，nLOT重构得到的地方精度也达到了6.6 pm。对这种尺寸，单切片层析成像（直接投影、刚性DDI、自适应DDI）早已没办法得到靠谱的重构结果。

图3. 模型重构结果的地方精度。虚线是原子地方精度与原子个数的线性拟合。直接投影、刚性DDI、自适应DDI和nLOT的斜率分别为105、26、23和4.4 pm/百万原子。

简而言之，作者提出并达成了多切片局域轨道层析成像办法（nLOT），通过将电子束与图像解耦，nLOT充分借助了深度切片图像中蕴含的物体各深度的信息，打破了传统单切片层析成像中景深对重构物体大小的限制，并允许用更少的倾斜角。nLOT办法使大尺寸物体的高精度三维重构成为可能，将对材料微观结构剖析带来深远的影响。

查看更多，请阅读原文：Liangze Mao, Jizhe Cui, Rong Yu. 3D reconstruction of a million atoms by multiple-section local-orbital tomography. Science Bulletin, doi/10.1016/j.scib.2024.09.006

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