当谈论球差校正透射电镜时，我们在谈论什么？

透射电子显微镜(简称透射电镜)是能够直观分析材料微结构的最重要工具之一。在透射电镜近百年的发展历史中,近些年来球差校正透射电镜的研发与应用乃是最具革命性的发展,不但进一步延伸了通向微观世界之路,更为材料科学的快速发展提供了关键的工具与研究方法。文章通过介绍球差校正透射电镜的原理、优势、应用及发展,来回答“什么是球差校正透射电镜”,“球差校正透射电镜有什么突出作用”,“球差校正透射电镜除了拍原子还能做什么”这三个问题。     

二维原子晶体的低电压扫描透射电子显微学研究

二维原子晶体材料,如石墨烯和过渡金属硫族化合物等,具有不同于其块体的独特性能,有望在二维半导体器件中得到广泛应用.晶体中的结构缺陷对材料的物理化学性能有直接的影响,因此研究结构缺陷和局域物性之间的关联是当前二维原子晶体研究中的重要内容,需要高空间分辨率的结构研究手段.由于绝大部分二维原子晶体在高能量高剂量的电子束辐照下容易发生结构损伤,利用电子显微方法对二维原子晶体缺陷的研究面临诸多挑战.低电压球差校正扫描透射电子显微(STEM)技术的发展,一个主要目标就是希望在不损伤结构的前提下对二维原子晶体的本征结构缺陷进行研究.在STEM下,多种不同的信号能够被同步采集,包括原子序数衬度高分辨像和电子能量损失谱等,是表征二维原子晶体缺陷的有力工具,不但能对材料的本征结构进行单原子尺度的成像和能谱分析,还能记录材料结构的动态变化.通过调节电子束加速电压和电子辐照剂量,扫描透射电子显微镜也可以作为电子刻蚀二维原子晶体材料的平台,用于加工新型纳米结构以及探索新型二维原子晶体的原位制备.本综述主要以本课题组在石墨烯和二维过渡金属硫族化合物体系的研究为例,介绍低电压扫描透射电子显微学在二维原子晶体材料研究中的实际应用.     

现代透射电子显微技术在多铁材料研究中的应用

文章简要介绍了材料科学研究中被广泛应用的透射电子显微(TEM)技术及其在多铁材料研究中的应用,并给出了几个典型案例:利用球差矫正原子分辨扫描透射电子显微术(STEM),并和电子能量损失谱(EELS)相结合,分析多铁异质结界面处的原子分布、离子价态和化学键的变化;结合球差矫正原子分辨透射电子显微图像(HRTEM)和STEM图像,分析多铁材料中的局域对称性破缺和电极化特性;利用原位变温及电/磁场加载技术,研究多铁材料中的结构相变和电畴/磁畴的动态演变特性。文章特别指出,现代透射电子显微学是全面分析理解多铁材料局域微结构,探讨多铁耦合机制及其物理根源的有效手段。     

原子尺度材料三维结构、磁性及动态演变的透射电子显微学表征

原子表征与操控是实现原子制造必须突破的物理瓶颈之一.像差校正电子显微学方法因其优异的空间分辨率,为实现原子精细制造提供了有力的表征手段.因此,利用电子显微学手段,在原子尺度对原子制造的材料及器件进行三维结构和性能的协同表征,对于深入理解原子水平材料操控的物理机理具有非常重要的意义.纳米团簇及纳米颗粒是原子制造材料与器件研究的主要对象之一,具有丰富的物理化学性质和较高的可操纵性.本文探讨纳米团簇/颗粒结构三维定量表征、使役条件下纳米团簇/颗粒结构演变定量表征、纳米颗粒/晶粒结构-成分-磁性协同定量表征等诸多方法与实例,阐明了电子显微学表征手段的突破和发展为实现精细控制的原子制造材料提供了坚实基础.     

透射凸二次非球面检验方法的研究

透射凸二次非球面具有自消球差的能力。只要像距、物距、材料的折射率及二次曲面系数之间满足一定的条件 ,则物点与像点就具有消球差的成像关系。研究了二次非球面系数e2 值与成像放大率 β 的关系 ,目的在于为透射凸二次非球面的检验找到普遍适用的范围。实例计算和实际的应用表明 ,对于中小口径的凸非球面来说 ,透射补偿法是比较实用的检验方法 ,特别是此种方法可以检验一些凸的扁球面。     

电子叠层衍射成像技术的突破及应用

像差校正透射电子显微镜是材料微观结构和物态高分辨率表征最常用的工具之一，极大地推动了相关学科的发展。近年来，电子显微学领域一个新的突破是电子叠层衍射成像技术。它突破了常规成像技术分辨率的极限，实现了原子晶格振动决定的终极分辨率，并且能够实现纳米尺度电磁物态的高精度成像。文章主要简述了电子叠层衍射成像技术的发展历程、原理和最新进展，最后讨论其应用前景和未来展望。     

原位动态电子显微学研究进展

随着电镜内原位技术的不断成熟和发展,透射电子显微镜不再仅仅是材料结构表征的工具,还是实现高精度纳米加工、性能测试等的重要手段。这不但丰富了纳米尺度下开展实验研究的方法,也拓宽了透射电子显微镜的应用范围,为纳米科学与技术的迅速发展提供了新的契机。本文侧重作者所在研究小组的研究工作,以"将纳米实验室建在透射电子显微镜里"的构想为主线,从材料的原位生长、结构加工、性能表征和器件构建等四个方面综述了近年来基于透射电子显微镜的代表性原位实验研究进展。     

金属纳米颗粒与二维材料异质结构的界面调控和物理性质

二维材料具有原子级光滑表面、纳米级厚度和超高的比表面积,是研究金属纳米颗粒与二维材料的界面相互作用,实时、原位观察金属纳米颗粒的表面原子迁移、结构演化和聚合等热力学行为的重要载体.设计和构筑金属纳米颗粒与二维材料异质结构界面,在原子尺度分析和表征界面结构,揭示材料结构和性能之间的相互关系,对于理解其相互作用和优化器件性能具有重要价值.本文总结了近年来金属纳米颗粒在二维材料表面成核、生长、结构演化及其表征的最新进展,分析了金属纳米颗粒对二维材料晶体结构、电子态、能带结构的影响,探讨了可能的界面应变、界面反应,及其对电学和光学等性质的调控,讨论了金属纳米颗粒对基于二维材料的场效应管器件和光电器件的性能提升策略.为从原子、电子层次揭示微结构、界面原子构型等影响金属纳米颗粒-二维材料异质结性能的物理机制,为金属-二维材料异质结构的研制及其在电子器件、光电器件、能源器件等领域的应用奠定了基础.     

量子点-Su-Schrieffer-Heeger原子链系统的电子输运特性

Su-Schrieffer-Heeger(SSH)原子链是典型的具有拓扑边缘态的一维系统,并且已在光子和冷原子系统中实验实现.本文在紧束缚近似下,利用传输矩阵方法研究了量子点-SSH原子链系统的电子输运特性,这里,量子点的作用是调节SSH原子链与电极的隧穿耦合强度.当量子点与SSH原子链弱耦合时,量子点-SSH原子链系统的四重简并边缘态对应SSH原子链存在边缘态的情形,而其二重简并边缘态对应SSH原子链不存在边缘态的情形;当量子点与SSH原子链强耦合时,其边缘态仅在胞内跳跃振幅大于胞间跳跃振幅情形下存在,此时,SSH原子链不存在边缘态.尤其是,当量子点-SSH原子链系统与外加电极之间为强隧穿耦合时,其边缘态的电子共振透射峰的个数将减少2,例如:对于四重简并的边缘态,即SSH原子链存在边缘态的情形,其电子共振透射峰的个数将变为2;而对于二重简并的边缘态,即SSH原子链不存在边缘态的情形,其电子的共振透射峰将消失.因而,可以通过调节量子点与SSH原子链、外加电极之间的隧穿耦合强度,观察边缘态电子共振透射峰的个数变化情况来判断SSH原子链是否处于非平庸拓扑态.     

电偶腐蚀对接触电极间压紧力的影响

电偶腐蚀会导致受载结构中内力的变化,从而改变结构性能。研究电偶腐蚀对结构内力的影响规律,利于提高相关结构的设计水平。设计接触端面为圆平面的圆柱形电极,采用恒位移加载方式使两个接触面相互压紧,同时将电极浸泡在质量分数3.5%的NaCl溶液中进行腐蚀,测试给出了压紧力随腐蚀时间的变化曲线。与实验状态相对应,用电极表层腐蚀区的径向和轴向尺寸以及等效弹性常数表征电偶腐蚀效应,根据实验观察近似取定腐蚀区尺寸,建立微观尺度的材料性能模拟模型和宏观尺度的结构力学模拟模型,计算给出了腐蚀区的材料性能参数和腐蚀一定时间后电极之间的压紧力,计算结果与实验结果大致吻合。该项研究同时为数值模拟电偶腐蚀对结构力学行为的影响提供了新的方法。     

核酸-金属复合物及其在原子制造领域的应用

原子及近原子尺度制造是直接以原子为操纵对象,构建具有特定功能的原子尺度结构,并实现批量生产以满足所需要的前沿制造技术,是国际学术研究的前沿热点问题.本综述总结了核酸材料在精准原子制造中的应用及前景,从核酸材料的基本结构与功能出发,论述了DNA与金属原子相互作用的基本原理.从天然核酸材料、人工碱基"分子元素"、核酸纳米结...     

用粒子群算法进行单个非球面透镜的球差校正

为设计出符合球差要求的单个非球面透镜,把粒子群算法应用到单个非球面透镜的球差校正中,构造相应的数学模型,并编程实现算法.设计关于非球面高次多项式的顶点曲率半径,高次多项式各项系数,透镜面之间的距离和玻璃折射率等光学系统结构参数的适应度函数,用这个函数作为评价函数,实现对球差的自动校正.给出用粒子群算法进行单个非球面透镜设计的实例,结果证明:粒子群算法用于非球面透镜的球差校正简单有效,能同时校正不同入射高处的球差,且容易发现一系列好的设计结果.从实际光学设计角度呈现使用这种方法进行单个非球面透镜的自动设计分析.     

扫描透射电子显微镜及电子能量损失谱的原理及应用

扫描透射电子显微镜是透射电子显微镜的一种,近几年随着球差校正器的问世,扫描透射电子显微镜的分辨率达到亚埃级,结合能量分辨率为亚电子伏特的电子能量损失谱,可以对材料进行高空间分辨率及高能量分辨率的微结构和成分分析。文章简述了扫描透射电子显微镜的发展历程和工作原理,重点讲述了高角环形暗场像的成像机理以及基于高角环形暗场像对材料结构和成分进行分析的原理和应用;电子能量损失谱的成谱过程、谱的特征及其在材料化学和电子结构分析方面的优势和主要应用。     

利用紫外透射光谱研究透射式GaN光电阴极的材料结构及光学特性

GaN紫外光电阴极是近年发展起来的一种高性能真空紫外探测器件,其中透射式结构作为光电阴极实际应用的工作模式,其多层结构参数及光学特性对阴极的最终光电发射性能有着重要的影响.测试了透射式GaN阴极材料的紫外透射光谱,通过建立透射式GaN阴极样品的透射模型,得到了GaN阴极样品的薄膜厚度、光学吸收系数与透射谱之间的函数关系.计算得到的GaN外延材料的厚度与实际值误差小,吸收系数与已发表数据一致,表明紫外透射光谱法能够准确地实现透射式GaN阴极材料结构及光学特性的评估.     

Z衬度扫描透射电子显微术的前沿进展

文章介绍了Z衬度扫描透射电子显微术(Z-scanning transmission electron microscopy，Z-STEM，Z为原子序数)的最新进展：Z-STEM可以直接“观察”到晶体中原子的真实位置，Z衬度图像的分辨率在经过球差校正后可达0．6A；在利用Z衬度成像技术对材料的阴极荧光(cathodoluminescence，CL)性质的研究中，首次观察到了“死层”(dead layer)的存在．然后，文章以半导体与结晶氧化物界面结构、Al72Ni20Co8十角形准晶结构以及SrTiO3晶界结构为例，具体介绍了Z衬度成像在测定物质结构与化学组成方面独特的优势。     

更高分辨率的晶体成像技术

最近发明了一个新的成像技术，能在0．1nm尺度以下观察材料，这个技术也许能使研究人员看到晶格中的单个杂质原子．现有的透射电子显微镜(TEM)不能分辨0．15nm以下的物体，比如晶格中的一个原子队列．Peter D．Nellist和其同事改造了一个TEM，得到了晶体硅的一个直接成像，能分辨出距离为0．078nm的硅原子对．文章作者写道，“这样高的分辨率应该能带来对材料性质的原子尺度的了解，可能会应用于材料、化学和纳米科学”．     

金电极与吡啶末端连接界面结构的力学变化过程理论研究

利用基于第一性原理的绝热拉伸模拟方法计算了4,4’-二吡啶分子与不同构型金电极之间的作用过程,研究了分子在外力作用下逐渐远离金电极过程中分子与电极间界面结构特有的演化过程以及体系能量与作用力的变化特征.结果显示,分子在远离锥形电极过程中很容易出现近于垂直地连接到锥形电极第二层金原子上的特有连接构型,同时由于吡啶末端的排斥作用,电极尖端的金原子偏向一侧.分子从第二层金原子上断开并连接到尖端金原子上需要1.3—1.5 nN的拉力作用,明显大于分子从尖端电极上断开所需要的0.8—1.0 nN的作用力,从而揭示了实验中二吡啶分子结在形成过程中作用力与界面构型变化之间的对应关系.4,4’-二吡啶分子与平面金电极的作用较弱,只需要不到0.5 nN的作用力就可断开,而当分子连接到吸附在平面电极表面的孤立金原子上时,可以承受约1.7 nN的作用力.以上研究表明基于第一性原理的绝热拉伸模拟方法不仅可以揭示分子与电极之间的界面结构演化过程,而且通过作用力的计算可以很好地识别实验中分子与电极间的特有界面结构.     

磁六极球差校正系统的计算与分析

限制电子显微镜分辨本领的主要因素是电子透镜的球差，对一种实际的校正磁透镜的磁六极球差校正系统进行了计算和分析，计算结果表明利用该系统可以消除三级球差。     

硅功能化石墨烯负极材料的粗粒模型

硅功能化石墨烯(硅化烯)作为锂离子电池的负极材料, 一旦发生分层或粉化等损伤现象, 会严重地降低材料的电子输运能力和储锂容量, 减少电池的使用寿命, 因此要求负极材料具有较强的力学可靠性. 考虑到传统分子动力学方法的模拟尺度很难达到硅化烯负极材料的真实尺度, 首先采用Tersoff 势函数和Lennard-Jones 势函数建立了多种硅化烯的全原子数值模型, 计算材料的各种弹性模量和吸附能; 然后采用珠子-弹簧结构, 根据力学平衡条件和能量守恒定律, 结合全原子模型的计算结果, 建立了硅化烯粗粒模型及其系统的能量方程; 最后, 通过对比石墨烯粗粒模型与其全原子模型的拉伸性能, 验证了硅化烯粗粒模型的有效性.     

电流变液调控的连通树枝状结构左手材料

设计了结构单元连通的单一树枝状结构材料模型,通过把连通的树枝状结构材料置于高性能电流变液中,研究了电极间距、内嵌介质的介电常数以及电场强度等对浸入电流变液中树枝状结构左手材料透射峰的影响.实验结果表明,电极间距对样品的左手峰有重要的影响;在容器盒中充满电流变液之后样品的左手峰向低频方向移动;通过改变外加电场强度可以调节左手透射峰,最大调节范围可达140 MHz. 关键词： 连通树枝结构 电流变液 介电常数 左手峰