近期，华南理工大学团队在国际学术期刊《Nature Communications》上发表了题为“Atomically resolved imaging of radiation-sensitive metal-organic frameworks via electron ptychography”的研究论文。

该工作围绕金属有机框架（MOF）材料展开研究。核心发现：采用10 mrad小会聚半角，在~100 e−/Ų剂量下通过电子叠层成像获得~2 Å分辨率，清晰分辨金属簇、有机配体及局部缺陷。支撑核心结论的关键表征，来自**扫描透射电子显微镜（STEM）**。

 

低剂量叠层成像的挑战与优化

金属有机框架材料在电子束照射下极易发生结构坍塌，传统高分辨扫描透射电镜即便将剂量降至100 e−/Ų，也难以在原子尺度清晰分辨其脆弱的有机配体与金属簇。这种辐射敏感性限制了我们对MOF真实结构的观测，迫使研究者必须在成像分辨率与样品完整性之间做出艰难妥协。

 

电子叠层衍射成像凭借其在低剂量下实现深亚埃分辨率的潜力，为突破这一瓶颈提供了新路径。通过模拟研究不同会聚半角对低剂量重建的影响，我们发现10 mrad的光束收敛角能实现误差最快收敛与最高重建质量，而更大角度则导致失败。这一模拟结果为后续实验参数的精确选择奠定了关键基础。

Zr-BTB的原子级成像

Zr-BTB的原子级成像验证了电子叠层衍射在低剂量条件下的可行性。实验采用10 mrad会聚半角，在115 e−/Ų的低电子剂量下采集4D-STEM数据。这一条件显著抑制了辐射损伤，使脆弱的有机框架得以保持完整。

 

重建的相位图像显示了有序的蜂窝状结构，其中亮环对应Zr6金属簇，暗区对应有机连接体。叠层成像技术在相同剂量下提供了比iDPC-STEM等传统模式更好的衬度和分辨率，有效解决了辐射敏感材料成像困难和分辨率低的问题。

功率谱分析揭示了两个明显的衍射环，表明晶体结构的高度有序性。放大区域中，单个金属节点的六边形亮环清晰可见，直径约为1纳米。这种原子级细节的展示直接揭示了金属节点与配体的空间排列关系，为后续的结构解析提供了可靠的依据。

MOSS-6的高分辨成像与局部结构解析

针对辐射敏感的金属有机框架MOSS-6，电子叠层衍射技术将成像剂量控制在98 e−/Ų，实现了1.96 Å的超高分辨率，同时保持了结构的完整性。这一分辨率的提高突破了传统扫描透射电子显微镜的限制，使得清晰分辨NU-1000结构中的锆原子柱成为可能。

 

重构的相位图像显示了高度有序的六边形晶格，其中亮斑代表金属节点，间距约为2纳米，证实了晶体周期的完整性。功率谱中的清晰衍射环进一步确认了这一分辨率，局部放大图显示节点处具有四重对称性，与结构模型高度匹配。

更重要的是，高分辨图像揭示了MOSS-6内部的局部结构异质性。研究者能够清晰识别出额外的簇、缺失配体的缺陷以及表面终止模式。这些细节不仅证实了原子级成像的能力，而且为理解MOF在非理想状态下的结构稳定性提供了直接证据，展示了该技术在解析复杂多孔材料微观机制中的独特价值。

低剂量叠层成像的突破与展望

这项研究证实，采用小会聚半角策略的电子叠层成像技术，能在剂量降低一个数量级的条件下实现原子级分辨率。这不仅突破了辐射敏感材料表征的瓶颈，还提供了一种适用于多种材料的低剂量高分辨成像方法。未来，这项技术有望广泛应用于各类敏感体系的精细结构解析，推动材料科学从平均结构向局部原子细节的认知深化。