NIST研究人员June Lau使用她和同事改装的透射电子显微镜（TEM）拍摄高质量的原子级电影。Credit： N. Hanacek/NIST

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究员和他们的合作者们已经开发出一种方法来改装透射电子显微镜——一种制作清晰显微图像且存在已久的科学机器，以便用它制作原子级、分子级超高速图像处理的高质量电影。通过把这种电影制作能力更广泛地应用于各地的实验室，这次与新旧电子显微镜兼容的改装有望对从显微镜机器到新一代计算机芯片、生物组织等所有事物融入新颖的见解。

“我们希望能够看到材料科学中快速发展的事物，”NIST的科学家June Lau说。她在期刊《科学仪器评论》（Review of Scientific Instruments）上发表了相关研究成果，描述了她与同事们第一次对这种改装设计的概念验证操作。

研究团队将这种改装设计为对现有仪器的一种成本高效益的附加设备。“预计这只会占到新型电子显微镜成本的一小部分，”她说。

电子显微镜有将近100年的历史，至今仍是许多科学实验室的重要工具。有一种流行常用版被称为透射电子显微镜（TEM），它会发射电子穿过目标样品生成图像。现代版的显微镜能把物体放大5000万倍。电子显微镜有助于确定病毒的结构，测试计算机电路的运行，并揭示新药的有效性。

“电子显微镜可以观察非常微小的原子级物体，”Lau说。“它们都是极好的。但从历史上看，它们看的是特定时间的物体。它们不擅长观察移动的目标，”她说。

“坦率地说，并不是每个人都有这种能力，”Lau说。

相比之下，这样的改装使得任何使用寿命的TEM都可以通过使用相对简单的“光束斩波器”制作皮秒（万亿分之一秒）级的高质量电影。原则上，光束斩波器可以用于任何制造商生产的TEM。要安装它，NIST的研究人员直接打开电子源下方的显微镜柱，插入光束斩波器，然后再次关闭显微镜。Lau和她的同事们已经成功改装了三种不同性能和年份的TEM。

像频闪观测仪一样，光束斩波器释放出精确计时的电子脉冲，可以捕获重要的重复或循环处理的画面。

“想象一下摩天轮，它以一种循环的、可重复的方式运行，”Lau说。“如果我们用针孔摄像机记录，它看起来会很模糊。但我们想要看到上面的每一个座舱。我可以在针孔摄像机前面放一个快门，这样快门的速度就能与座舱的轮的转动相匹配。我们可以设定快门的时间，当指定的座舱上到顶端时，快门就会打开。用这种方法，我可以制作一叠展示摩天轮顶部每一个座舱的图片，”她说。

就像光快门一样，光束斩波器可以中断连续的电子束。但与快门不同的是，快门有一个开启和关闭的光圈，而光束光圈一直保持开启状态，不需要复杂的机械部件。

而且，光束斩波器在电子束方向上产生射频（RF）电磁波。这种电磁波使行进中的电子表现得“像在水波表面上下晃动的软木塞，”Lau说。

乘着电磁波，电子在接近孔径时沿着波浪形的路径运行。大多数电子会被阻挡，除了那些完全与孔径对齐的电子。射频波的频率是可调的，因此电子击中样品的频率在每秒4000万到120亿次之间。结果，研究人员可以以大约1纳秒到10皮秒的时间间隔捕获样本中的重要影像处理。

通过这种方式，经过NIST改装的显微镜可以捕获诸如微电子机械系统（MEMS）和纳电子机械系统（NEMS）等微型机器来回运动的原子级细节。它或许可以研究用于高速通信的天线中定期重复的信号，并探测新一代计算机处理器中电流的运动。

在一次验证中，研究人员想要证明经过改装的显微镜和它在改装前的功能一样。他们用传统的“连续”模式和脉冲束模式对金纳米粒子进行成像。脉冲模式下的图像与静止模式下的图像相较具有相当的清晰度和分辨力。

“我们对其进行了设计，因此应该是相同的，”Lau说。

透射电子显微镜（TEM）放射连续的电子束（左图）和脉冲束（右图）成像出的金（Au）纳米粒子被放大了20万倍。图中比例为5纳米（nm）。Credit：NIST

光束斩波器也可执行双重工作，将射频能量注入到材料样本中，然后对结果进行拍照。研究人员通过向金属梳状的MEMS设备中注入微波（一种无线电波）来证明这种能力。微波在MEMS设备内产生电场，使入射的电子脉冲发生偏转。这些电子偏转使研究人员能够制作通过MEMS梳状体传播的微波电影。

Lau和她的同事们希望他们的发明能很快取得新的科学发现。例如，它可以研究快速变化的磁场在分子级存储设备中的行为，这些设备有望比以前存储更多的信息。

研究人员花了6年时间发明和开发他们的光束斩波器，并因此获得了多项专利和美国科学技术创新奖（R&D 100 Award）。这项研究工作的合作者包括纽约阿普顿的布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National）