高效三维电子衍射仪助力复杂晶体结构分析！

【研究背景】

三维电子衍射（3D ED）是一种强大的技术，因其能够揭示从小晶胞到高度复杂体系的晶体结构，广泛应用于材料科学、无机化学等领域。与传统的单晶X射线衍射相比，3D ED在处理极小晶体时具有更强的优势，尤其是其能够在电子束与物质强相互作用下获得高分辨率数据。然而，3D ED的传统结构精修方法，如独立原子模型（IAM），忽略了原子间的键合作用，可能导致结构模型不准确，从而带来了较大挑战。

近日，来自捷克科学院物理研究所Lukáš Palatinus教授团队在三维电子衍射结构精修研究中取得了新进展。该团队在五种无机材料（如石英、自然沸石、硼烷等）的分析中，采用了一种称为“kappa精修”的新方法，突破了传统IAM模型的局限。kappa精修通过调整原子的价电子分布和膨胀/收缩，保留了球对称性模型的前提下，模拟了原子间的电荷转移。这种方法显著提高了结构模型的准确性，特别是在原子电离和键合效应方面。

利用这一技术，研究团队成功提取了原子电荷密度的信息，并通过周期性密度泛函理论（DFT）计算验证了结果。这一工作不仅扩展了3D ED数据的精修方法，还为未来在更复杂材料中的电荷密度研究提供了可能的技术路径。

【仪器解读】

本文通过电子衍射（ED）原理以及精确的电子探测技术，具体来说，结合了FEI Tecnai G2 20显微镜和Medipix 3 ASI Cheetah探测器，首次研发了一种高效的三维电子衍射仪器。该仪器在不同模式下（如预cession模式和连续旋转模式）进行数据采集，能够精确捕捉低温下的晶体衍射图像，从而表征并发现了各种复杂晶体材料的结构特征。通过这种创新的仪器，我们不仅获得了高分辨率的电子衍射数据，而且揭示了晶体在不同衍射条件下的电子密度分布和动态行为。

本文针对多个复杂现象，尤其是晶体厚度变化和电子密度分布的挑战，提出了基于动态衍射和精细结构分析的解决方案。通过对不同样品（如石英、natrolite、borane等）的分析，我们成功得到了每个样品的电子密度分布，并进而挖掘出晶体在不同旋转角度和温度下的结构特征。这为深入理解材料的电子结构以及衍射反射强度的变化提供了新的思路。

在此基础上，通过结合PETS2数据处理软件和JANA2020软件，仪器的精确度得到了大幅提升。PETS2软件通过对每个晶体的衍射数据进行优化处理，使得所有晶体的晶格参数、方向矩阵等都能够精确计算。JANA2020软件则通过引入动态衍射细化方法，使得电子密度的分布模型得以进一步优化，从而增强了研究成果的可靠性和精准度。

通过这些仪器开发与表征手段，本文不仅成功克服了传统电子显微镜在复杂衍射测量中的局限，还推动了材料科学特别是晶体结构分析领域的进步。最终，本研究揭示了通过电子衍射手段探测电子密度分布的潜力，为后续材料设计和功能优化提供了重要的实验基础。

石英精修质量的评估

原文详情：Suresh, A., Yörük, E., Cabaj, M.K. et al. Ionisation of atoms determined by kappa refinement against 3D electron diffraction data. Nat Commun 15, 9066 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53448-2