利用超短脉冲MeV电子衍射技术确定3D原子结构

文森特·亨尼克（Vincent Hennicke）| 马克斯·哈赫曼（Max Hachmann）| 保罗·本杰明·克拉尔（Paul Benjamin Klar）| 帕特里克·Y·A·莱因克（Patrick Y. A. Reinke）| 蒂姆·帕肯多夫（Tim Pakendorf）| 简·迈耶（Jan Meyer）| 赫赛因·德尔西姆-哈希米（Hossein Delsim-Hashemi）| 米里亚姆·巴特尔梅斯（Miriam Barthelmess）| 斯里维迪亚·特库·维杜（Sreevidya Thekku Veedu）| 庞图斯·费舍尔（Pontus Fischer）| 安娜·C·罗德里格斯（Ana C. Rodrigues）| 阿琳达·凯拉吉（Arlinda Qelaj）| 亚历山德拉·托尔斯蒂科娃（Alexandra Tolstikova）| 奥列山大·叶法诺夫（Oleksandr Yefanov）| 朱娜·维尔恩斯曼（Juna Wernsmann）| 弗朗索瓦·勒梅里（Francois Lemery）| 罗宾·舒伯特（Robin Schubert）| 伊纳基·德·迪埃戈（Iñaki de Diego）| 斯图尔特·海斯（Stuart Hayes）| 塞巴斯蒂安·君特（Sebastian Günther）| 阿尔克·梅恩茨（Alke Meents）

自由电子激光科学中心（Center for Free-Electron Laser Science, CFEL）
德国电子同步加速器（Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY）
地址：Notkestr. 85, 22607, 汉堡, 德国

理解原子尺度的结构对于理解材料的功能及其性能改进至关重要。与其他提供原子分辨率的探测方法相比，电子具有最强的相互作用能力，并且辐射损伤最小，这使它们成为研究非常微小和辐射敏感样品的理想工具 [Henderson (1995), Q. Rev. Biophys. 28, 171–193]。然而，这些优势往往被制备纳米级样品的繁琐过程所抵消，因为这些样品用光学显微镜无法观察到，而且实验主要只能在超高真空条件下进行 [Duyvesteyn et al. (2018), Proc. Natl Acad. Sci. USA 115, 9569–9573; Gruene et al. (2021), Nat. Rev. Chem. 5, 660–668]。在这里，我们报告了成功使用MeV电子衍射技术，在原子分辨率下对准二维材料白云母（muscovite）和量子材料1T-TaS2进行了从头算（ab initio）三维结构测定。通过使用来自REGAE（相对论电子枪用于原子探索，Relativistic Electron Gun for Atomic Exploration）加速器的超短电子脉冲，我们获得了高质量衍射数据集，这些数据集适用于基于动态散射理论的结构精炼，甚至可以精确定位氢原子。MeV电子的增加穿透深度显著扩展了可适用样品的厚度范围，克服了传统电子衍射的局限性。这些发现确立了MeV电子衍射作为研究各种材料（包括纳米结构和辐射敏感化合物）的可行方法，并为原位和时间分辨实验开辟了新的机会 [Chao et al. (2023), Chem. Rev. 123, 8347–8394; Filippetto et al. (2022), Rev. Mod. Phys. 94, 045004]。

1. 引言
理解材料的三维结构对于揭示其物理性质至关重要。使用X射线、中子或电子进行的衍射实验特别适合确定具有（亚）原子分辨率的结构。在这些方法中，电子因其显著的弹性截面和相比X射线对样品造成的辐射损伤较小而脱颖而出 [Henderson, 1995]。与主要与样品中的电子相互作用的X射线不同，电子与样品的静电势相互作用。这种相互作用增强了轻元素（特别是氢原子）的可见性 [Palatinus et al., 2017]。此外，高亮度电子束相对容易产生，并且可以使用电磁透镜精确聚焦到亚微米级光斑大小。这些特性使电子成为研究亚微米级样品（尤其是辐射敏感的低Z材料）的结构分析的独特且高效工具。因此，电子衍射已成为一个快速发展的研究领域 [Gruene et al., 2021]。如今，三维电子衍射（3D ED），也称为微晶电子衍射（MicroED），已常规用于纳米晶体的结构测定。这项技术现在正通过专门为电子晶体学设计的设备得到进一步发展 [Nannenga et al., 2014; Gemmi et al., 2019; Ito et al., 2021; Simoncic et al., 2023]。然而，电子与物质之间的强烈弹性相互作用也带来了结构测定的挑战 [Klar et al., 2023]。特别是，样品中的电子多次散射导致非运动学衍射强度Ihkl，因此简单的关系Ihkl ∝ |Fhkl|²不再成立。根据成熟的动态衍射理论，Ihkl依赖于实验参数，如电子波长、晶体取向、晶体形状和晶体厚度。除此之外，电子在样品中由于非弹性散射事件而损失能量，这限制了电子衍射实验的样品尺寸。根据样品的密度和化学成分，无机（高Z）样品的最大可容忍厚度通常限制在几十纳米，而有机（低Z）样品则限制在几百纳米。这些尺寸远低于光学显微镜的分辨率极限，这意味着必须在实验前盲目进行样品选择和制备，而无法通过直接的光学显微镜检查。这对电子衍射（ED）在结构测定中的广泛应用构成了重大限制 [Duyvesteyn et al., 2018; Bücker et al., 2020]。

使用更高能量的电子可以克服这一限制。与200 keV电子相比，3.48 MeV电子的弹性截面不到三分之一，允许样品厚度增加三倍以上 [Henderson, 1995]，同时显著减少了多次散射的影响。因此，以前在传统TEM设备中最大厚度约为500 nm的有机和生物样品，现在在使用MeV电子的衍射实验中可以达到约1.75 µm甚至更厚的厚度 [Bozzola, 1992]。这种可容忍样品厚度的增加显著扩展了ED的应用范围。样品制备步骤，如晶体生长、样品研磨和将样品安装在支撑结构上，现在可以在光学显微镜下进行，类似于X射线实验。此外，高能衍射设备的更长焦距提供了更大的样品周围工作空间，使得可以使用各种先进和多样的样品环境（图1）。这种设置允许在广泛的温度范围内进行原位实验——从毫开尔文到几千开尔文——以及使用不同的气体气氛，这对于催化研究特别有利。相比之下，典型TEM的样品架和样品环境空间仅限于毫米级别，而在能量高达160 keV的专用电子衍射设备中可以达到几厘米。

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图1. 基于加速器的高能电子衍射概念。通过用短紫外脉冲照射光阴极发射电子，然后在1.5细胞RF腔中立即将其加速到2–5 MeV的能量，该腔体的场梯度高达110 MV m−1。电子脉冲（红点）随后与样品相互作用，样品安装在单轴测角仪上以收集晶体学数据。当样品在电子束中旋转时，衍射图案被记录在Jungfrau 1M积分像素探测器上。

此外，高能MeV电子受电场和磁场的影响较小，使得使用低能电子难以或不可行的实验成为可能；从而进一步拓宽了它们的潜在应用范围。然而，实验上实现几MeV的电子能量并保持电子晶体学所需的高质量结构测定的束稳定性和相干长度一直具有挑战性。例如，在透射电子显微镜中，将电子加速到1 MeV需要在静态直流场中使用复杂的36级加速管 [Kawasaki et al., 2000]。

一种更有前景的方法是使用成熟的基于射频（RF）的加速器技术。与静态场中的传统加速不同，基于RF的加速器可以提供时间极短的电子脉冲，脉冲长度从几百皮秒到几飞秒不等 [Weathersby et al., 2015; Zeitler et al., 2015]。这种超短探针脉冲结合短波长使得能够进行飞秒时间分辨实验，并具有原子分辨率，而这些实验目前主要在更大的X射线自由电子激光（XFEL）设施中进行。

超短、高能电子脉冲已经在时间分辨的超快电子衍射（UED）实验中证明非常有效。除了应用于固体和晶体样品外，UED技术还成功用于研究液体和气体样品 [Kogar et al., 2020; Nunes et al., 2020; Lin et al., 2021]。然而，由于在倒易空间采样方面的限制，人们认为UED在原子分辨率下用于三维结构测定是不可行的 [Ishikawa et al., 2015]。事实上，尚未有使用超短电子脉冲提供从头算三维结构信息的衍射实验报告。

在这里，我们报告了首次使用DESY的“相对论电子枪用于原子探索——REGAE”设施，在原子分辨率下成功地对准二维层状材料白云母和1T相钽硫化物（1T-TaS2）进行了从头算三维结构测定。白云母是一种层状硅酸盐，长期以来一直被用作非常薄的电绝缘体 [Liang et al., 1998; Gatta et al., 2011]。1T-TaS2属于过渡金属硫属化合物（TMDCs）类——这是一类技术上非常重要的二维量子材料，表现出诸如电荷密度波（CDWs）等非常有趣的性质，并经历多种相变 [Spijkerman et al., 1997; Haupt et al., 2016; Manzeli et al., 2017]。

2. 实验
有关仪器、材料和方法的更多详细信息，请参见支持信息。

2.1. REGAE加速器设施
衍射实验在德国汉堡DESY的“相对论电子枪用于原子探索——REGAE”设施中进行 [Manz et al., 2015]。REGAE是一个专门为使用MeV电子进行时间分辨衍射实验而设计和建造的线性加速器设施（图1，图S1）。在REGAE中，电子通过S波段（3 GHz）RF枪内的光电发射产生，并使用高达110 MV m−1的场梯度迅速加速到3至5 MeV的能量。REGAE的阴极更换系统允许在保持超高真空（UHV）的情况下选择不同的光阴极。在本研究中，使用了具有高量子效率的CsTe阴极，没有特殊原因。REGAE能够以50 Hz的重复率生成电子脉冲，典型的束团电荷高达100 fC，横向发射度低至10 nm，从而在典型的横向均方根束尺寸为50–250 µm时产生约2–10 nm的横向相干长度 [Hachmann & Flöttmann, 2016]。

2.2. 适用于UHV的衍射装置
REGAE配备了一个专用的UHV兼容衍射装置，包括一个内联样品观察显微镜和一个高精度测角仪，用于收集晶体学数据（图1，S2，S3，S4，S5）。该设计受到了同步辐射源常用X射线衍射装置的启发 [Burkhardt et al., 2016]。

为了样品可视化和束线对准，可以将内联样品观察显微镜插入电子束路径中，使用户能够在衍射实验期间用光学光永久观察样品。内联显微镜允许样品与电子束共线观察。为此，电子束通过显微镜物镜的光轴上的1.0 mm钻孔。

e−-Roadrunner测角仪是一个紧凑且适用于UHV的单轴晶体学测角仪，具有高精度的垂直旋转轴。测角仪轴本身由陶瓷轴承驱动的直接伺服电机驱动，提供360°旋转能力，角分辨率为0.001°，混淆球小于1 µm。安装在旋转轴顶部的电动中心定位台在x、y和z方向上提供±6 mm的移动范围，允许将样品精确定位在旋转轴的中心。

2.3. Jungfrau 1M探测器用于直接电子检测
衍射数据使用Jungfrau 1M探测器的真空版本记录（图S7）。该探测器最初是为XFELs中的高强度X射线脉冲实验开发的 [Mozzanica et al., 2018; Leonarski et al., 2018]。与基于闪烁体的间接探测器不同，Jungfrau探测器直接记录电子在硅传感器材料中的非弹性相互作用产生的电信号，该信号与沉积在传感器中的能量成正比，由于峰值电流高，因此信噪比更高。此外，门控功能仅在电子脉冲到达时间附近的一个非常短的时间内记录数据。所有其他信号，例如来自加速器的暗电流，在门控期之前和之后到达的信号不会被记录，因此不会对数据中的背景信号产生贡献。

Jungfrau探测器由两个500 k像素模块组成，可以以高达2 kHz的帧率运行。通过使用三种不同反馈电容器的自动像素增益选择，它提供了足够的动态范围，可以检测每个脉冲每个像素高达1200个电子的强布拉格反射。云母和TaS2样品
云母的化学组成为KAl3Si3O10(OH)2，属于C2/c空间群，其晶胞参数为a = 5.21 Å, b = 9.04 Å, c = 20.03 Å，β = 95.8°（Gatta等人，2011年）。云母中的角共享四面体和边共享八面体层垂直于晶体学的b轴排列，因此层与层之间的解理性非常好。云母样品是通过剥离技术制备的（见图S8）。

我们实验中使用的TaS2的1T相属于某个空间群，其晶胞参数为a = 3.365 Å和c = 5.883 Å（Spijkerman等人，1997年）。TaS2中的电荷密度波导致衍射图谱中出现了额外的布拉格卫星反射。这种非共格调制结构之前被描述为超空间群X3(α, β, 0)0(−α − β, α, 0)0（Spijkerman等人，1997年）。1T-TaS2样品是通过垂直于自然存在的、平行于晶体学ab平面的切片制备的（见图S9）（Haupt等人，2016年）。

2.5 MeV电子衍射数据采集
云母和1T-TaS2的电子衍射数据是在REGAE设施中，使用3.48 MeV的能量和600 fs的脉冲持续时间，在室温（293 K）下记录的。测量过程中没有使用基于束流诊断的主动束流稳定技术。为了保持高束流稳定性，仅严格控制了环境参数（如湿度和温度），并主动稳定了射频系统。

数据采集时，云母样品从-60°旋转到+60°，步长为0.01°；1T-TaS2样品从-65°旋转到+65°，步长为0.005°，从而实现伪连续旋转（见表S1）。对于每个角度位置，记录了12次电子脉冲的衍射静态图像。总共记录了153,600张云母的衍射图像和312,000张TaS2的衍射图像，相应的总数据采集时间分别为约3.5小时和7.5小时。衍射图像清晰地显示了尖锐的布拉格反射，并且反射之间的噪声水平非常低，这突显了出色的信噪比（见图2）。对于1T-TaS2，可以清楚地观察到源自电荷密度波的较弱反射。衍射图像中反射的良好空间分离清楚地表明了REGAE产生的电子束具有较高的横向和纵向相干长度。

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图2. MeV电子衍射图案。使用3.48 MeV高能电子脉冲在REGAE设施中记录的云母（a）和1T-TaS2（b）的12张单次拍摄衍射静态图像的总和，脉冲频率为12.5 Hz。衍射图案中虚线所示的相应强度曲线突出了由于电子束高相干性和低背景散射信号而实现的优异信噪比（见(c)和(d)）。

云母样品的积分注量为2.8 × 10^-3 e^-2 Å^-2，束流电荷为60 fC，束流直径为500 µm。1T-TaS2样品的积分注量使用小于15 fC的脉冲电荷和50 µm的束流直径时，小于0.14 e^-2 Å^-2。在数据采集过程中，我们没有检测到衍射信号和质量的任何衰减，表明此处施加的辐射剂量没有引起辐射损伤效应（见图3(b)）。

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图3. 云母高能电子衍射数据的动态结构精修结果。(a) 动态结构精修得到的Rall值随样品厚度的变化。(b) 由于样品旋转和相应的测角仪角度导致有效样品厚度增加，衍射数据中平均I/σ(I)比的衰减。(c) 沿晶体学a轴的云母层结构视图。(d) 带有各向异性热位移参数（钾 = 紫色，铝 = 蓝色，氧 = 红色，氢 = 粉色）的云母结构详细视图。(e) 使用电子衍射（ED，本研究）获得的各种向异性热位移参数的OH基团与使用中子衍射（ND，Gatta等人，2011年）获得的参考模型的叠加图。

2.6. 数据处理和结构解析
数据处理使用PETS2软件（Palatinus等人，2019年）完成。从PETS2数据处理中得出，在整个测量时间内，Jungfrau探测器位置的x方向（水平）的束流稳定性约为±1个探测器像素（0.075 mm），y方向（垂直）的束流稳定性约为±2个像素。衍射数据的质量足以直接解析云母结构和平均1T-TaS2结构，使用了成熟的软件（Palatinus & Chapuis，2007年；Sheldrick，2008年；Burla等人，2015年）。1T-TaS2的(3+2)d超空间结构可以使用SUPERFLIP软件（Palatinus & Chapuis，2007年）解析。最初的动力学精修忽略了多次散射事件，使用Jana2020软件（Petříček等人，2023年）进行。这些精修得到的云母的Rall值为17.3%，1T-TaS2调制室温结构的Rall值为25.5%。为了使测量结构和计算结构之间的吻合度更好，从而得到更准确的结构模型，还使用Jana2020软件进行了动态结构精修（Klar等人，2023年；Palatinus, Petříček & Corrêa，2015年；Palatinus, Corrêa等人，2015年）。

3. 结果
3.1. 云母
针对云母数据集的动态精修使得合并后的Rall值提高了9.4%（见表S3）。精修结果对假设的晶体厚度和晶体镶嵌性非常敏感。精修得到的Rall值在厚度约为650 nm时显示出明显的最小值。自由精修后得到的晶体厚度为634 nm（见图3(a)），这与测量的670 nm厚度相符。在数据采集过程中，有效样品厚度（即电子穿过晶体的路径长度）在60°旋转角时增加到1.4 µm。即使在这种较大厚度下，也能获得优异的数据质量，I/σ(I)约为10（见图3(b)）。

在得到的结构模型中，所有细节都得到了很好的解析，并获得了有意义的各向异性热位移参数（见图3(c)，3(d)；CIF格式的数据可在支持信息中找到）。使用COMPSTRU工具将原子位置与化学组成略有不同的参考结构（Gatta等人，2011年）进行比较，得到的平均偏差为0.032 Å，非氢原子的最大偏差为0.083 Å（de la Flor等人，2016年）。高质量衍射数据结合我们方法在倒易空间中的高分辨率，甚至允许识别和自由精修氢原子位置及其各向异性热位移参数。获得的氢原子参数和相应的O—H键长为0.95(4) Å，与中性子参考数据（Gatta等人，2011年）非常吻合，后者给出的键长为0.939(5) Å（见表S4）。使用与我们MeV电子衍射实验相同的样品进行的X射线结构测定得到的O—H键长为0.81(6) Å，但在独立原子模型中无法自由精修ADPs。

3.2. 1T-TaS2
1T-TaS2数据集的动态精修使得主要反射的合并后Rall值提高了4.3%，所有反射（包括卫星反射）的合并后Rall值提高了12.0%（见表S5）。与云母类似，所有结构细节都得到了很好的解析，并获得了有意义的热位移参数（见图4(a)，b)；CIF格式的数据可在支持信息中找到。源自电荷密度波的弱卫星反射的计数比主要结构反射低1-2个数量级。将这些反射纳入动态结构精修中，使我们能够精修1T-TaS2的非共格结构（见图4(c)）。与之前使用X射线对300倍厚单晶进行的研究一致，观察到层内存在星状钽簇的排列，每个簇由13个钽原子组成（见图4(d)，4(e)（Spijkerman等人，1997年）。

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图4. 通过REGAE的MeV电子衍射确定的TaS2结构。(a) 沿晶体学a轴观察的TaS2层结构。(b) Ta原子由六个硫原子八面体配位，热位移参数以椭球体表示。(c) Ta原子的精修调制位移幅度，类似于Spijkerman等人（1997年）的分析。(d) 约75 × 75个晶体学单元格的调制结构的实空间表示，显示了每个由13个钽原子组成的星状Ta簇的排列。相距小于3.4 Å的Ta原子用线条连接。硫原子被省略。(e) 沿c轴观察的单个星状13原子钽簇及其配位硫原子的视图，绕a轴旋转90°。

4. 结论与展望
我们成功地将基于加速器的高能电子衍射技术应用于传统上由X射线主导的3D晶体结构测定领域。通过整合尖端加速器科学、新型衍射仪器、具有电子检测能力的探测器、暗电流优化和背景散射减少技术，以及最新的动态衍射数据分析软件，我们能够以非常高的质量解析和精修准二维层状材料云母和1T-TaS2的结构，这从非常低的合并后Rall值（云母为9.4%，未调制结构的TaS2为4.3%）中可以明显看出。

能量超过1 MeV的电子——具体来说是我们实验中的3.48 MeV——在穿透深度和散射对比度之间达到了最佳平衡，使其非常适合微观和纳米晶体的结构研究。对于云母，高能电子的减小弹性截面使我们能够从670 nm厚的样品中获得高质量的衍射数据，这是目前基于实验室的电子衍射设备或电子显微镜无法实现的。对于密度大约是云母2.5倍的蛋白质，理论预测和生物样品的显微镜实验（Cosslett，1969年）表明应该可以分析直径达2 µm的晶体。这些晶体在光学显微镜下可以轻松观察到，显著简化了样品制备过程。

同时，3.48 MeV的弹性截面仍然足够高，可以从薄至30 nm的样品中获得高质量的结构测定。这一能力使我们能够利用平均强度比主要反射弱1-2个数量级的卫星反射精确解析1T-TaS2的非共格结构。鉴于TaS2的测量仅使用了少量束流电荷，完全可以在REGAE上对量子材料的少数甚至单层进行衍射实验。

目前该方法的一个限制是由于空间电荷效应导致的电子束横向尺寸较大，需要使用横向较大但相对较薄的样品。为了解决这个问题，我们正在REGAE实施束流列车模式（Mahnke等人，2024年），在这种模式下，高达100 fC的束流电荷均匀分布在4500个微束上，总持续时间为1.5 µs。这种方法使电子束能够聚焦到几微米范围内，从而可以研究尺寸相当的等轴微晶体，同时保持其优异的相干性。

对于像蛋白质这样的辐射敏感样品，MeV电子的较大穿透深度结合其较大的散射截面和预期的较低辐射损伤效应，应该能够常规收集适合结构测定的完整数据集，而这通常是用X射线无法实现的（Holton，2009年）。这使得高能电子成为这类小晶体结构测定的理想探针，例如在基于结构的药物发现实验中（Günther等人，2021年）。

此外，电子衍射实验中获得的更真实的氢原子位置（如云母所示）应该有助于更好地理解酶和其他催化反应，其中氢键和转移反应起着非常重要的作用（Herschlag & Pinney，2018年）。

目前工作中未利用的一个参数是在线性加速器（如REGAE）上可实现的单位数飞秒级的高时间分辨率。目前，将亚原子级空间分辨率与飞秒级时间分辨率相结合的实验主要在XFEL（X射线自由电子激光）光源上进行。然而，如果能够在加速器设施中显著降低辐射损伤的影响，这类电子衍射（UED）实验将无需持续补充样品即可进行类似的研究。例如，这种方法将能够以极高的灵敏度研究二维量子材料（如1T-TaS2和其他过渡金属硫属化合物）单层中的相干声子和超快相变（Filippetto等人，2022年）。由于投资和运营成本（尤其是电力消耗）大幅降低，基于加速器的电子衍射实验（使用MeV电子）成为对微米和纳米级材料进行结构和动态研究的一种经济且环保的选择。这些方法是对现有微聚焦同步辐射光源和XFEL的有效补充。

5. 相关文献
以下参考文献在支持信息中被引用：
Bourhis等人，2015年；
Brázda等人，2022年；
Catti等人，1994年；
Fröjdh等人，2022年；
Kabsch，2010年；
Khouchen等人，2023年；
Novoselov等人，2012年；
Redford等人，2018年；
Sheldrick，2015年；
Stokes等人，2011年；
van Smaalen等人，2013年。