我国学者借电子显微镜在皮米尺度精确测量表面结构上取得重要进展

北京大学“电子显微镜与电子光学实验室”的“青年千人”计划研究员高鹏与日本、台湾的合作者通过基于高空间分辨率(45皮米,目前最高纪录)的定量环形明场像技术(ABF)发现，钛酸锆铅(PbZr0.2Ti0.8O3)铁电薄膜表面存在异常的原子重构。铁电薄膜的表面结构对铁电数据存储、传感、表面化学等应用都有很重要的影响。但是在此之前，由于缺乏有效的表征手段来研究这些绝缘复杂氧化物的表面物性，人们对铁电材料的表面原子结构知之甚少。高鹏研究员过去几年在美国、日本一直从事基于图像定量化分析、原位动力学探测等先进电子显微学技术来研究铁电材料的缺陷结构和铁电畴翻转的动力学过程。他与合作者曾系统地报道过界面对畴的成核效应【Nat. Commun. 2，591 (2011);Science 334，968 (2011)】、缺陷与畴壁的相互作用【Nat. Commun. 4，2791 (2013);Nat. Commun. 5，3801 (2014)】、畴的稳定性【Adv.Mater. 24，1106 (2012)】等。

　他们最新的研究成果是通过利用环形明场成像技术在皮米(0.001纳米)尺度上精确测量阴、阳离子之间的键长来计算表面结构的细微畸变(图一)。研究表明，在不同极化取向的铁电畴中，PbZr0.2Ti0.8O3的表面原子结构完全不一样，在表面薄层中可以存在“铁电死层”和高能的带电畴壁。这些发现为铁电薄膜、铁电陶瓷、铁电表面催化等应用提供了非常重要的信息。同时，发展起来的基于环形明场像技术定量测量绝缘氧化物表面结构的方法将极大地提高人们对这些复杂功能氧化物材料物性的认知。该研究成果近期发表于《自然-通讯》上【Nat. Commun. 7，11318 (2016)】，高鹏研究员为论文的第一作者和共同通讯作者。上述研究得到了北京大学电子显微镜实验室、中组部“青年千人”计划、2011协同创新中心、自然科学基金等项目经费的资助。

　由物理学院俞大鹏院士领导的北京大学“电子光学与电子显微镜实验室”——校级大型公共仪器平台在2015年底增置了两台国际上迄今最先进的球差矫正透射电镜(图二)：Nion公司的配置单色仪的U-HERMES200(能量分辨率8meV)和FEI公司的双球差矫正的Titan Cubed Themis G2 300(空间分辨率60pm)。与此同时，俞大鹏院士也积极在国际上招募青年才俊，重点发展电子显微学新技术在材料科学方面的应用，进一步提高大型高端仪器的管理水平、提升电镜平台服务效率和质量。　

图一 (a)环形明场像的PbZr0.2Ti0.8O3薄膜的表面结构。(b)极化向下的畴的表面结构。Pb-O键长在表面附近的变化趋势，表明表面附近存在铁电死层和180度的带电畴壁。 (c)极化向上的畴的表面结构。Pb-O键长在表面附近的演化表明不存在明显的表面重构。(d)极化平行于表面的畴的表面结构。Pb-O键长在表面附近的演化，表明表面附近存在铁电死层和90度的带电畴壁。
　图二 北京大学电镜实验室新购置的两台球差矫正透射电镜。(a)FEI的双球差矫正电镜Titan Cubed Themis G2 300, 配DPC，EDX，EELS，Lorentz等功能,电压范围60-300kV,空间分辨率最高60pm，宽极靴，适合于各种原位实验。(b)Nion的带单色仪球差矫正扫描透射电镜U-HERMES200。电压范围40–200kV。能量分辨率最高8meV，空间分辨率最高60pm。