Single-Scan Three-Dimensional Atomic Imaging via Electron Ptychographic Interferometry

作者
Wu Zhou,Ang Li,Shuoyuan Huang,Yinhang Ma,T Liu,Zhaoqing Wang,Jingbo Pang,Stephen John Pennycook,Shixuan Du
出处
期刊:Research Square
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-9384287/v1
摘要

Abstract Resolving atomic positions in all three dimensions with high precision is central to understanding many emergent properties of quantum materials, but has remained fundamentally challenging. Existing three-dimensional (3D) imaging methods in electron microscopy are largely tomography-based, relying on geometrical parallax from tilt-series projections and high electron doses, which makes them unfriendly for beam-sensitive and structurally flexible systems such as 2D materials. Here, we introduce electron ptychographic interferometry (EPI), a single-scan 3D atomic imaging method that exploits intrinsic wave interference induced by individual atoms during electron scattering. By decoding this atom-induced interference in the amplitude of the electron exit wave into a quantitative depth-sensitive contrast, EPI retrieves full 3D atomic coordinates with picometer axial precision and deep sub-angstrom lateral resolution, without specimen tilting or model assumptions. We validate the picometer accuracy of EPI by quantifying the 2.98 Å S-S interlayer distance in monolayer MoS2, and apply it to experimentally resolve, for the first time, a ~5 pm out-of-plane structural reconstruction in AA-stacked regions of magic-angle twisted bilayer graphene. EPI thus establishes a physically distinct and experimentally accessible route to single-scan 3D atomic imaging, opening new opportunities to uncover atomic-scale origins of quantum phenomena.

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