如何看清非晶体材料的三维原子结构

非晶材料——即缺乏长程有序结构的固体——是薄膜电子、太阳能电池、相变存储器、磁性元件、医疗设备及量子技术等众多技术的基础。然而，由于缺乏周期性，从原子分辨率层面测定其三维（3D）结构面临根本限制。尽管在表征短程和中程有序结构方面取得了理论、实验和计算上的重大进展，但定量测定非晶材料完整的3D原子排列在实验上仍极具挑战性。原子电子断层扫描（AET）为这些材料的直接3D原子成像提供了途径。本研究对AET进行了定量分析，展示了稳健的图像预处理、降噪、投影对准与归一化、先进的断层重建、原子追踪、元素分类以及原子位置精修等步骤如何共同实现非晶材料中3D原子坐标和元素种类的可靠测定。通过对不同噪声水平下的非晶硅（Si）、硅锗锡（SiGeSn）和钴钯铂（CoPdPt）纳米颗粒的多层模拟数据集进行研究，我们的工作流程在位置精度和分类准确率上均优于另一种方法。对于CoPdPt，在实际剂量条件下，我们识别出95.1%的钴原子、99.0%的钯原子和100%的铂原子，相应的3D位置精度分别为29皮米、12皮米和6皮米。这些结果为实现非晶材料的精确AET建立了实用指南和定量基准，其基础框架还可广泛应用于其他断层成像方式，以实现高保真度的3D重建。