基於結構照明的暗場 X 射線顯微鏡實現三維成像

核心概念

本文介紹了一種基於結構照明的暗場 X 射線顯微鏡技術，用於實現有序材料的三維成像，並通過對銅摻雜二砷化鐵單晶體中孿晶疇的成像驗證了該技術的有效性。

摘要

文獻信息

標題：基於結構照明的暗場 X 射線顯微鏡實現三維成像
作者：Doğa Gürsoy 等人
發表時間：2024 年 11 月 12 日
期刊：arXiv 預印本

研究目標

本研究旨在開發一種新型的暗場 X 射線顯微鏡技術，利用結構照明實現對有序材料的三維成像，並克服傳統方法中需要旋轉樣品或使用細光束掃描的限制。

方法

• 研究人員利用編碼孔徑對入射 X 射線束進行空間調製，並在不同的孔徑位置捕獲圖像。
• 他們開發了一種圖像重建模型，可以從這些圖像中重建樣品的三維結構。
• 他們使用一個孤立的孿晶疇（位於一塊塊狀鐵磷族化合物單晶體內）的實驗數據驗證了他們的技術。

主要發現

• 該技術能夠以亞微米分辨率對嵌入在塊狀晶體內的孿晶疇進行三維成像。
• 重建的圖像顯示，二維圖像中 45 度傾斜的強度調製貫穿整個疇的深度。
• 通過在不同的散射角和搖擺角下對疇進行成像，研究人員能夠構建疇內局部晶格傾斜的三維複合圖。

主要結論

• 結構照明暗場 X 射線顯微鏡是一種很有前景的技術，可以用於以高分辨率對有序材料的三維結構進行成像。
• 該技術對研究各種材料系統中的各種現象（如電荷密度波和磁相競爭）具有廣泛的適用性。

意義

這項研究為材料科學家提供了一種強大的新工具，可以用於在三維空間中以納米級分辨率研究材料的結構。該技術有可能徹底改變我們對材料在微觀尺度上的行為方式的理解。

局限性和未來研究

• 需要進一步的研究來優化編碼孔徑的設計和重建算法，以提高技術的分辨率和靈敏度。
• 未來的工作還將集中於探索該技術在原位和操作條件下對各種材料系統進行成像的應用。

統計資料

該研究使用了分辨率為 50 納米的暗場 X 射線顯微鏡。
編碼孔徑由 5 微米寬的金線和 10 微米寬的氮化矽薄膜組成。
孔徑以 1 微米的步長垂直於入射光束方向掃描，總掃描範圍為 225 微米。
在每個編碼孔徑步進掃描位置，探測器的曝光時間為 0.5 毫秒。
研究人員在十個不同的樣品入射角（從 (040)o 布拉格峰條件開始，以 0.003° 為步長，從 -0.014° 到 0.013°）和三個不同的散射角（從布拉格峰 2θ 開始，-0.003°、0° 和 0.003°）下收集了一系列編碼孔徑掃描測量結果。

引述

"我們介紹了一種針對有序材料在亞微米尺度上的三維成像進行了優化的結構照明暗場 X 射線顯微鏡技術。"
"與斷層掃描等常見的體積成像技術不同，我們的方法採用掃描 X 射線輪廓來實現沿著衍射軸的深度分辨率，無需旋轉或柵格掃描樣品，從而實現高度穩定的成像模式。"
"這種及時的進步與全球同步輻射裝置亮度升級相一致，為成像開闢了前所未有的機遇。"

從以下內容提煉的關鍵洞見

Dark-Field X-Ray Microscopy with Structured Illumination for Three-Dimensional Imaging

by Doğa... 於 arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2405.12799.pdf

深入探究

這項技術如何應用於研究材料在極端條件（如高壓或高溫）下的結構？

暗場 X 射線顯微鏡搭配結構照明技術，為研究極端條件下材料結構變化提供獨特優勢。以下列舉幾種應用方向：

高壓環境： 高壓環境研究，例如鑽石對頂砧（DAC）實驗，可運用此技術。 X 射線穿透力強，足以穿透 DAC 腔體，同時結構照明能提供三維空間解析度，揭示材料在高壓下微結構變化，例如相變、缺陷形成和晶格畸變等。
高溫環境： 高溫環境研究可結合適當加熱平台，維持樣品在高溫狀態下進行觀測。 結構照明技術無需旋轉樣品，可避免高溫加熱過程中樣品移動或形變造成誤差，確保數據準確性。
原位/操作實驗： 此技術適用於原位或操作實驗，即時觀察材料在外部刺激（如電場、磁場或應力）下的動態結構變化。 結構照明技術數據採集速度快，能捕捉材料在極端條件下快速變化的過程。

然而，將此技術應用於極端環境仍面臨挑戰：

極端環境設備設計： 需要設計專門的樣品環境腔體，滿足高壓、高溫等極端條件，同時允許 X 射線束和可見光通過，並兼容結構照明系統。
材料反應： 材料在極端條件下可能發生相變、分解或與周圍環境反應，影響成像結果。
數據分析： 極端條件下數據分析更為複雜，需要發展新的算法和模型，以準確解釋觀測結果。
總之，暗場 X 射線顯微鏡搭配結構照明技術在研究極端條件下材料結構方面具有巨大潛力，但需要克服技術挑戰才能充分發揮其優勢。

該技術的局限性是什麼？例如，它是否適用於所有類型的材料或樣品尺寸？

暗場 X 射線顯微鏡搭配結構照明技術雖然優點眾多，但也存在一些局限性：

材料適用性： 此技術主要適用於晶體材料，利用布拉格繞射產生訊號。 對於非晶體材料或結晶度低的材料，由於缺乏明顯的布拉格繞射峰，成像效果有限。
樣品尺寸： 目前技術主要應用於微米或亞微米尺度樣品。 對於更大尺寸樣品，需要更大尺寸的編碼孔徑和更長的掃描時間，數據處理也更為複雜。
空間解析度： 空間解析度受限於編碼孔徑的最小特徵尺寸和 X 射線束的焦斑尺寸。 目前技術的空間解析度約為亞微米級，未來發展方向是進一步提高解析度。
數據採集速度： 雖然結構照明技術相較於傳統斷層掃描技術速度更快，但仍需一定時間進行編碼孔徑掃描和數據重建。 對於需要快速成像的動態過程，此技術可能存在限制。
輻射損傷： X 射線照射可能對某些敏感材料造成輻射損傷，影響實驗結果。

總之，暗場 X 射線顯微鏡搭配結構照明技術在材料科學研究中具有廣闊應用前景，但需根據具體研究對象和目標，綜合考慮其優缺點和局限性，選擇合適的成像技術。

這項技術的發展如何促進其他科學領域的進步？例如，它能否用於開發新的醫療成像技術或改進製造工藝？

暗場 X 射線顯微鏡搭配結構照明技術的發展，預計將促進以下科學領域的進步：
1. 醫療成像：

高分辨組織成像： 此技術可應用於生物組織的三維成像，例如觀察腫瘤細胞的微結構、血管網絡和神經纖維等，有助於疾病的早期診斷和治療。
骨骼和牙齒成像： X 射線對骨骼和牙齒等硬組織具有良好的穿透性，此技術可提供更高解析度的三維成像，有助於骨骼疾病和牙齒疾病的診斷和治療。
藥物輸送和釋放： 利用此技術可以追蹤藥物在體內的輸送和釋放過程，為藥物研發和治療方案優化提供重要信息。
2. 製造工藝：

微納加工： 此技術可應用於微納米尺度器件的缺陷檢測和三維結構表徵，例如芯片製造、微機電系統（MEMS）和納米材料等領域。
增材製造： 此技術可以實時監控增材製造過程中材料的堆積和成形過程，有助於優化工藝參數，提高產品質量。
材料表徵： 此技術可以對材料的微觀結構、缺陷和應力分佈等進行三維表徵，為材料設計和性能優化提供依據。
3. 其他科學領域：

地質學： 此技術可以分析岩石和礦物的微觀結構，研究地質演化過程。
考古學： 此技術可以對文物進行無損三維成像，揭示文物內部結構和製造工藝。
總之，暗場 X 射線顯微鏡搭配結構照明技術作為一種新興的成像技術，具有廣泛的應用前景。 隨著技術的發展和完善，預計將在更多科學領域發揮重要作用，推動科學研究和技術應用的進步。