揭示材料的晶體結構，如晶格、空間對稱性和局域結構，是了解其物理化學性質的關鍵。雖然利用衍射技術可以解決材料晶體結構的平均和周期性信息，但是，在實際應用中，材料的非周期局域結構, 如表面、晶界、缺陷等則需要通過實空間的觀察來解析。在原子尺度揭示材料的晶體結構，如晶格、空間對稱性和非周期局域結構（表面，晶界，缺陷）等，對于了解材料的結構與性能關系具有重要意義。為了在原子尺度上建立材料的性質與其局域結構之間的相關性，人們迫切需要用透射電子顯微鏡(TEM)對敏感材料的結構進行直接成像。
雖然高分辨率 TEM是大多數材料結構的常規表征手段，但由于電子束敏感材料（如分子篩，MOFs，COFs，有機無機雜化鈣鈦礦，鋰電池SEI等）對電子束輻照極為敏感。在常規TEM成像模式的高電子劑量輻照下，電子束敏感材料的結構會被立即破壞變為非晶，從而無法得到其原子排列結構信息。因此，如何在無損傷的條件下以高分辨率和高信噪比在實空間中對電子束敏感材料的結構直接成像是TEM技術應用的難點之一。
近年來，以Thermo Scientific™ Falcon™為代表的直接電子探測相機（Direct Electron Detector, DED）憑借其高靈敏度、低噪聲等優勢，為極低電子劑量下電子束敏感材料的高分辨成像提供了新的解決方案。與CMOS以及CCD相機相比，DED相機最大的特點是不再使用通過閃爍體轉換電子信號為光子信號再耦合的間接探測方式，而是可以直接探測入射電子信號。因此，Falcon™ DED相機具有高探測量子效率，允許其在極低電子劑量下來對電子束敏感材料的結構直接成像。
使用Thermo Scientific™ Falcon™ DED相機在電子束敏感材料成像的一些典型應用案例如下：
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使用Falcon 3獲得的二維全有機鈣鈦礦CMD-N-P2的HRTEM圖像，成像電子劑量~1.1 e/ ?2。[1]
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使用Falcon 4i獲得的MIL-101的HRTEM圖像，成像電子劑量~42 e/ ?2。
MIL-101樣品由重慶大學劉玲梅教授，張大梁教授提供；低劑量HRTEM圖像由賽默飛上海納米港劉蘇亞博士獲取。
直接電子探測相機在電子束敏感材料的高分辨成像中展現出顯著的優勢。其高靈敏度、低噪聲特性使得研究人員能夠在低劑量條件下獲得高質量的圖像，從而減少電子束對樣品的損傷。隨著DED技術的不斷發展，其在材料科學、生命科學等領域的應用前景將更加廣闊。未來，結合人工智能，Falcon 4i DED相機有望在電子束敏感材料的成像和分析中發揮更大的作用。
[1] Choi et al., Science 384, 60–66 (2024).
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