【自传】像差校正电镜技术先驱之Knut Urban

【简介】

Knut Urban，德国物理学家。曾就读于斯图加特大学，并于1972年获得物理学博士学位，之后前往斯图加特的马克斯·普朗克金属研究所。

1986年，Knut Urban被任命为德国埃尔兰根-纽伦堡大学材料性能教授，一年后，成为亚琛工业大学实验物理系主任和尤利希奥地利维也纳大学微结构研究所所长。在此期间，Knut Urban与Harald Rose和Maximilian Haider合作获得了第一个像差校正的透射电子显微镜结果，该成果于1998年发表。

随后，Knut Urban致力于将像差校正的透射电子显微镜应用于材料科学，尤其专注于晶格内原子的精确排列与材料物理特性之间的联系。

2004年，Knut Urban被选为厄恩斯特·鲁斯卡电子显微镜和光谱学中心的主任之一，自2012年以来，一直是亚琛工业大学的JARA高级教授。Knut Urban已获得多项荣誉，这些奖项包括美国材料研究学会的冯·希佩尔奖，并与Harald Rose和Maximilian Haider共同获得了沃尔夫物理学奖，本田生态技术奖和BBVA基础科学知识前沿奖。Knut Urban还是包括美国材料研究学会，德国物理学会和日本金属与材料学会在内的多个科学机构的荣誉会员。

2020年，Knut Urban与Maximilian Haider、Harald Rose、Ondrej L. Krivanek一起获得了科维理纳米科学奖。科维理纳米科学奖评审委员会认为，Knut Urban为首台像差校正常规透射电子显微镜的实现做出了突出贡献。

从左至右：Maximilian Haider, Knut Urban, Harald Rose, Ondrej L. Krivanek

【Knut Urban 自传】

我在战后初期的德国斯图加特长大，这个城市因汽车工业和众多中小型工企而闻名。

我的父亲是一名电气工程师，经营着一家小型电动机公司。在过去的几十年里，父亲的一系列研发成了公司的主要产品。在我的家里，有很多关于科学和技术的思考、阅读和讨论。除了感谢父母的关心，我还感谢他们的一种批判、开放、合作的思维方式，这对我后来的发展非常有益，尤其是在职业上。

当我还是个小学生的时候，就利用学到的技术和祖父一起建造了我的第一台光学望远镜，这台仪器连接着一台反射望远镜，可用于更进一步的观察。几年后，我成为斯图加特天文台最年轻的成员。这就是我如何从天文学进入物理学的过程。

高中毕业后，我加入了西门子（Siemens）公司，在电气工程领域做了为期一年的学徒，这是六十年代进入大学学习物理的先决条件。这段时期对我来说很重要，通过与工人们一起学习生产和设计等电子工程技术，不仅让我获得了重要的专业知识，还增强了社交能力。

随后，我进入斯图加特技术大学（the Technical Univercity of Stuttgart）学习物理。期间，我受到博世（Bosch）公司在半导体领域工作的启发，在大学期间完成了半导体领域的实验文凭论文。在这里，我学到了很多有关低温、半导体的光学特性以及晶格缺陷如何影响半导体的光学特性等知识。这是我进入固态物理学，特别是进入晶体缺陷物理学的过程。

我的整个职业生涯进一步决定性因素是Alfred Seeger（斯图加特大学固体物理学教授，Max Planck金属研究所所长）对我在低温下塑性变形锗光学性质的研究结果感兴趣，并帮助我完成了博士学位论文。Seeger因在晶体缺陷领域的开拓性工作而享誉国际，并且是当时最灵活变通的固态物理学家之一，他所研究的领域和所使用的实验和理论方法都是非常多样的。

Seeger向他的博士生介绍了具有挑战性的课题，并相信他们会成功。根据他的提议，我不得不跳入冷水中，为Max Planck研究所的新型高压电子显微镜搭建一个物镜台。难点在于，该平台应允许在不影响显微镜分辨率的情况下将样品冷却至液氦温度（-269℃），以便研究金属中的原子晶格缺陷。别的团队尝试了大约十年，都没有成功。用于冷却的沸腾氦的振动和低温的不稳定性破坏了光学分辨率。Seeger为我提供了在柏林的Fritz Haber研究所为Ernst Ruska进行系统设计和建造的机会。（Ruska后来因电子显微镜的研发而获得了诺贝尔奖。）

作为一名彻头彻尾的工程师，Ruska一开始对我这个年轻的物理学家持怀疑态度。但在Siemens和Bosch车间的工作让我为这份高要求的工作做好了准备，几个月后，我联系Ruska进行面试，腋下夹着一大捆图纸走近他时，令他印象深刻。从那时起，他就怀着极大的兴趣关注了我的工作，并向我提供了研究所的所有设施。一个有新的、独立想法的新人可以取得别人所无法接受的突破，这种情况并不少见。

高压电子显微镜中的氦冷却物装置成为我们多年来直接在高分辨率观察下进行实验的平台。这种显微镜有一个吸引人的优点，即在高电子能量下，可以通过电子-原子位移产生原子缺陷，而在低能量下，可以在任何所需温度下观察它们的二次反应。我自己也得到了一些新的研究结果，其中最重要的就是发现了辐射引起的原子缺陷扩散（由电子缺陷相互作用引起）以及合金中旋节线有序性的证明，这是一种基于特殊晶格对称性的复杂工艺，经过多年的理论讨论，但是从未经过实验证明。

80年代后期，我离开了Max Planck研究所，成为埃朗根大学材料科学教授。几年后，我搬到了Jülich研究中心，担任固态科学研究所所长，并兼任亚琛工业大学实验物理教席。在此期间，我开始对准晶体这一新兴领域产生了兴趣，之后不久，Dan Shechtman因其发现获得了诺贝尔奖。

结合低温和高温原位电子显微镜技术，我首次证明了合金中的准晶体相是由高温时非晶态自行形成（之前认为进入准晶相的唯一途径是从熔体中骤冷），并发表了论文，这篇论文成为我进入准晶体科学家“俱乐部”的“入场券”。

几年后，当偶然发现其中一张图像中的位错是一种与晶体塑性行为密切相关的晶格缺陷时，我开始对准晶体塑性感兴趣，并在这一领域工作了很多年。位错的发现非常令人兴奋，因为它出乎意料。准晶体是基于六维晶格的，要了解这些晶格缺陷的拓扑结构非常困难。同样复杂的是，在电子显微镜中对这些缺陷进行定量表征的对比理论的提出，让我们忙了很长一段时间。另外，位错的观察表明，准晶体材料一般来说很脆，可能会发生塑性变形，我们通过在高压电子显微镜下进行原位实验证明了这一点。

80年代是固态物理学和材料科学令人振奋的年代，尤其是氧化物材料高温超导性的发现以及扫描隧道显微镜（STM）的发明。我们从Alfred Seeger那里学到的很多新固态物理学内容，以及他为我们提供的例证，伴随了我的整个职业生涯中。当时，我刚刚接管了德国国家研究中心的一个研究所，该研究所拥有合理的设备和人员资源，于是我就全身心地投入了另外两个工作组的建设，一个是STM，另一个是氧化物超导体的研究。

STM最初是作为表面物理技术引入的，由于我对晶格缺陷感兴趣，我们建立了一个新的STM，成为第一个研究半导体中单掺杂原子以及其电场、扩散和在器件pn结中行为的团队；而先进半导体技术，则是一个非常有趣的研究。对于氧化物超导体，有两件事被证明是对我们有利的。为了实现自己的想法，我们建造了用于沉积超导薄膜及器件的设施，并使用我们最先进的电子显微镜直接检查膜沉积结果的质量并对其不断改进。我们在Josephson装置和高频性能方面突破了国际记录，我们的超导微波谐振器被用于国际通信卫星项目。

当时的电子显微镜比以往任何时候都功能强大，我们为能够在80年代末投入使用新仪器而感到自豪，它们在200 kV时的分辨率约2.4埃，300 kV时的分辨率约1.7埃，这非常出色。另一方面，它们仍未达到原子尺寸，这在包括我在内的固态物理学家看来像“圣杯”一样。

1989年9月的“DreiLändertagung”（奥地利、德国和瑞士的电子显微镜学会四年一次的传统会议）上，Maximilian Haider和Harald Rose告诉我，有一个项目将决定性地改变我们未来的职业生涯，当然也将改变电子显微镜的“职业生涯”，这是一个大事件。Harald Rose刚刚完成了一项新的像差校正电子显微镜物镜的理论研究，保守估计，在目前的电子技术水平下，这种物镜有可能实现。几个月后，我们同意向大众基金会提交一份联合申请。目的是在海德堡欧洲分子生物学实验室的Haider实验室研制新的半平面校正透镜（即现在的“Rose 校正透镜”），并实现将其应用到经过适当改进的商用常规透射电子显微镜（CTEM）中。

由于在CTEM中还必须校正离轴像差，这是比较常见的情况，它自动包括扫描透射电子显微镜（STEM）的校正情况。由于该领域数十年的失败以及行业缺乏兴趣，美国资助机构决定不再资助像差校正电子光学系统的研发，因此全球相应的工作组开始解散。

大众基金会一般不为纯仪器的研发提供资金，但我们认为我们的项目有机会获得资助。作为一个由专门研究电子光学的理论和实验物理学家以及对不同领域具有研究兴趣的材料学家组成的团队，我们能从材料科学应用的角度来证明此项目的合理性。在经过一次真正的范式改变之后，今天，现在，电子光学中的像差校正问题得到了解决，并且原子副原子材料科学研究成为了我们日常生活的一部分，且几乎不可能使自己回到科学显然没有为原子分辨电子显微镜做准备的那个年代。

在材料科学即将进入纳米技术的时代，人们非常希望能达到原子范围的尺寸。但是几十年来电子光学无法实现，校正电子透镜像差的问题实在太困难了，这打击了材料科学家认为电子光学将能够帮助他们的信心。因此，最大的问题是说服我的同事——材料学家：我们的理论更好，比之前的尝试有更大的机会能取得突破。

在这种情况下，我决定在德国以及国外的材料科学的机构中举办多次演讲，并且组织了一些专门的会议来宣传材料科学对原子电光分辨率的需求。后来，我们的提案在最终审核会议上一票险胜，获得了资助。1997年，世界上第一台经过像差校正的透射电子显微镜的分辨率显示超过了1.4aiq（200 kV），几乎是未经校正仪器分辨率的两倍，这使我们能够在锗晶体中显示原子分辨率。

每个物理学家在大学的前几年都会学到原子世界遵守的量子物理，而这在很多方面与我们在日常生活中习惯的经典物理学有很大不同。所以如果我们想掌握原子尺寸获得的图像，还有很多东西需要学习。与外行人（直观地）看到高分辨率图像时的假设相反，原子不能被直接看到。电子对原子的电场起反应，因此需要特殊的光学操作才能获得图像。我们到底看到了什么，是我们接下来几个月的重点问题。努力最终得到了丰厚的回报，期间，仪器已移至Jülich，在前人没有想到的特殊的新成像条件下，我们第一次成功地看到了氧化物中的氧原子。

氧化物正在成为最重要的材料类别之一，但是，由于其低散射能力，之前电子显微镜观测不到氧及其它轻原子，现在，这种情况突然改变了，氧化物化学家们非常热情，我们也已经从事材料中氧的研究许多年了。

通过原子像差校正电子显微镜解决的第一个重要的材料科学问题是证明了YBaCuO铜链平面中氧原子的顺序，这对高温超导理论非常重要，以前没有人能直接看到这些材料中的氧。此外，我们可以证明且测量BaTiO（和其他钙钛矿）晶格缺陷中氧原子的化学计量，从而解决了氧化物化学领域的一个长期争论。这再次证明了我们材料科学研究团队在这些领域以及电子显微对比理论方面的能力，使我们能够充分利用与电子光学同事同研发的新仪器。从一开始吸引我的是，我们发现通过将定量像差校正电子显微镜和测量与计算机中的量子物理和光学图像模拟相结合，可以测量原子位置和原子位移，且精确度比皮米计还高。这实际上是一个无法想象的维度，它相当于氢原子玻尔直径的百分之一，进入这些微小的维度意味着可以进入大量物理现象发生的领域。此外，显微镜和计算机模拟的结合为我们提供了有关所成像原子化学性质和浓度的分析信息。

2004年，我当选为德国物理学会主席，该学会是世界上历史最悠久，也是最大的物理学会，拥有超6万名会员。能够为这个协会服务，我一直感到特别的荣幸。该学会有很多非常文明的会长，是值得我们钦佩的人物，但是他们对物理学发展的巨大贡献却是我们所无法超越的。

科学领域是国际性的，能够遇见各国志同道合的人并跨越国界进行合作，是我的荣幸，我和许多同事也成为了一生挚友。以上这段简短的叙述是我整个科学生涯的摘录，没有提到我在法国巴黎附近的Saclay研究中心，在日本仙台东北大学担任客座教授，以及在中国的学校（清华大学和西安交通大学）多年的工作经历。

延伸阅读：

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【自传】像差校正电镜技术先驱之Harald Rose

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