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超快电子显微学表征技术概述

A review of ultrafast electron microscopy characterization techniques

刘芳，邓颖，刘竞超，陈乐楠，纪少政，刘传普，陈祥，付学文

物理学报, 2026, 75(15): 150701

DOI: 10.7498/aps.75.20260292

CSTR: 32037.14.aps.75.20260292

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文章导读

传统电子显微镜技术具备亚纳米至原子级空间分辨能力，但其时间分辨率受限于电子探测相机的响应速度，难以直接观测结构相变、载流子弛豫、晶格振动等发生在皮秒至飞秒量级的超快动力学过程。超快电子显微镜（UEM）将飞秒激光与传统高分辨电子显微镜相结合，基于超快泵浦-探测原理构建了“超快光泵浦-超快电子探测”的测量范式，同时具备超高的时间和空间分辨率，实现了对物质非平衡态动力学过程的超高时空分辨表征。

《物理学报》2026年第15期特邀综述栏目刊登了南开大学付学文教授团队撰写的关于超快电子显微学的综述文章，系统介绍了超快电子显微学三大核心技术——超快透射电子显微镜（UTEM）、超快扫描电子显微镜（SUEM）和超快阴极荧光（U-CL）的技术原理与相关代表性应用进展。UTEM以飞秒电子脉冲透射成像及衍射等原理为基础，可观测材料体相的晶格振动、光致结构相变、磁畴演化等超快动力学过程；SUEM通过聚焦飞秒电子脉冲逐点描样品表面产生瞬态二次电子进行成像，可对材料表面与近表面区域的光生载流子动力学进行高时空分辨可视化测量；U-CL则结合飞秒电子脉冲激发样品产生瞬态荧光与超快荧光探测技术，实现对激发态载流子复合发光动力学及局域光学响应的高时空分辨表征。三类技术在时空分辨能力与适用探测体系方面优势互补，共同构成了UEM技术体系的核心框架。

图1 超快电子显微学技术光路示意图与主要应用

图2 超快电子显微学主要技术分支及其典型表征场景示意图

文章系统梳理了UEM在各类前沿领域的研究进展：UTEM能够解析相干声子动力学、光致相变、电荷密度波畴演化等过程，结合原位表征技术，可开展液相环境、气相反应体系的超快动力学观测；超快洛伦兹透射电子显微镜实现了对磁涡旋退磁、磁斯格明子写入与湮灭等超快磁结构动力学的直接成像；时间分辨冷冻电子显微镜借助激光诱导“熔融-再玻璃化”的方法，可在微秒尺度实现对蛋白质构象演化过程的捕捉，将冷冻电镜从静态结构解析拓展至动态过程重建；五维扫描透射电子显微成像技术达成了纳米尺度应变场的时空定量映射；时间分辨电子能量损失谱可从元素价态分辨维度厘清电荷转移、等离激元传输等超快动力学过程；光诱导近场电子显微镜可实现光学近场纳米-飞秒尺度的动态成像；阿秒电子显微学则将时间分辨率提升至阿秒量级，可实现亚光周期电磁响应的直接探测。

该综述涵盖了超快电子成像、超快电子衍射、超快洛伦兹显微镜、时间分辨电子能量损失谱、光诱导近场电子显微镜及五维扫描透射电子显微成像技术等各类基于飞秒电子的先进探测手段，对比归纳了UTEM、SUEM、U-CL三种技术路线的优势与局限，同时展望了多模态融合、极端条件探测、人工智能驱动数据分析及阿秒电子源等未来发展方向，为相关领域研究人员提供了系统的文献参考依据。

作者简介

付学文

南开大学物理科学学院教授、博士生导师，凝聚态与材料物理系主任，南开大学超快电子显微镜实验室负责人，国家级青年人才和天津市杰青

2009年获北京师范大学物理学学士学位，2014年获北京大学凝聚态物理博士学位，毕业后先后在美国加州理工学院和布鲁克海文国家实验室任博士后与助理研究员，2019年年底入职南开大学物理科学学院担任教授，牵头建立南开大学超快电镜实验室和超快电镜科研团队。主持国家重点研发计划青年项目、基金委国家重大科研仪器研制项目、重大研究计划培育项目和面上项目等，获强国青年科学家提名、南开大学青年五四奖章等荣誉。长期从事先进超快电子显微镜技术研发与低维功能材料非平衡态微观动力学研究，研制了世界首台全射频超快电镜、首套超快扫描电镜-超快阴极联合系统等原创科学仪器，率先发展了原位液相超快透射电镜、亚百飞秒双色近场超快电镜等前沿技术。以第一/通讯作者在Science、Nat. Nanotech.、Nat. Phys.、Phys. Rev. Lett.、Sci. Adv. (4)、Nat. Commun. (3)等期刊发表论文60余篇，获授权发明专利9项，多项仪器成果实现转化应用。

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