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摘要

功能材料的结构设计与性能调控是材料科学与凝聚态物理领域的前沿热点问题, 功能基元的人工序构成为近年来提升材料功能特性、探索新奇物理现象的新范式. 准确理解功能基元构筑的新材料宏观物性的起源要求精确地表征功能基元的结构、形态和分布, 明晰功能基元之间耦合效应. 具有皮米测量精度的像差校正透射电子显微镜是解析低对称性材料和复杂化学体系材料原子结构、化学组成和电子组态的重要工具, 为实现高精度、多维度表征功能基元及其空间的构筑方式、建立构-效关系提供了新途径. 本文通过选取不同尺度下的代表性功能基元, 论述了皮米尺度下功能基元的本征特性与空间排布, 及其与宏观物性之间的关联, 突出了像差校正透射电子显微学的突破和发展, 为理解基元构筑的功能材料功能性起源提供了坚实的基础.

关键词:

Abstract

Structure design and performance regulation of functional materials are the cutting-edge hot topic in the field of materials science and condensed mater physics. Constructing hierarchical structures with functional units recently has become a new paradigm to improve the functionality of functional materials and explore new physical phenomena. Understanding the origin of physical properties of functional materials constructed by functional units requires us to precisely characterize the structure, configuration and spatial patterns of functional units, and their couplings. Aberration-corrected transmission electron microscopy has proven to be powerful in revealing the atomic structure, chemistry and electronic configuration of the functional materials with low symmetry and complex compositions, which provides a new avenue to reveal the functional units and their spatial patterns with high precision from different aspects and finally establish the structure-propertys relationship. In this paper, we summarize the inherent characteristics of typical functional units with different sizes, and the hierarchical structures constructed by functional units at the picoscale, by which the relationship between structures and functionality is revealed. The breakthrough and development of aberration-corrected transmission electron microscopy lays a solid foundation for understanding the origin of functionality of new materials constructed by functional units.

Keywords:

functional materials/
functional units/
aberration-corrected transmission electron microscopy/
picoscale

作者及机构信息

肖东东^1,3,
谷林^1,2,3

1.
2.
3.

通信作者:谷林,l.gu@iphy.ac.cn

作者简介:

肖东东, 中国科学院物理研究所副研究员. 2015年于中国科学院物理研究所获凝聚态物理专业博士学位. 2016—2019年期间先后在美国西北太平洋国家实验室、纽约州立大学宾汉姆顿分校从事博士后研究, 2019年2月加入中国科学院物理研究所先进材料与结构分析实验室. 主要研究方向是利用先进透射电子显微学方法研究锂/钠离子电池正极材料原子结构、电荷密度及动力学演化. 至今在Nature Communications,Journal of American Chemical Society,Advanced Materials等学术期刊发表论文80余篇

谷林, 清华大学教授, 国家杰出青年科学基金获得者. 2002年清华大学本科毕业, 2005年在美国亚利桑那州立大学获博士学位. 2006—2010年期间先后在德国马普金属所和日本东北大学从事博士后研究工作. 2010年11 月至 2022年2月在中国科学院物理研究所先进材料与结构分析实验室任研究员, 2022年2月加入清华大学材料学院. 长期从事电子显微方法与功能材料功能性起源研究, 在功能材料原子结构、电子结构与物性的关联研究方面取得了系列成果, 发表论文900余篇, 他引71000余次, H因子＞140. 获得国际电子显微学联合会青年科学家奖(2006); 国际锂电池会议青年科学家奖(2012); 中国科学院“卢嘉锡”青年人才奖(2013); 中国科学院杰出科技成就奖(主要完成人)(2013); 中国晶体学会青年科技奖(2018); 第十六届中国青年科技奖特别奖(2020); 入选科睿唯安材料科学领域(2018—2022)和化学领域(2019—2022)全球高被引科学家

基金项目:北京市自然科学基金(批准号: Z190010)资助的课题.

Authors and contacts

Xiao Dong-Dong^1,3,
Gu Lin^1,2,3

1.
2.
3.

Corresponding author:Gu Lin,l.gu@iphy.ac.cn

Funds:Project supported by the Natural Science Foundation of Beijing, China (Grant No. Z190010).

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施引文献

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成像技术	空间分辨率/pm	测量精度/pm	样品厚度/nm	所需条件	特点
出射波重构	80^[30]	3 <σ<10^[31]	< 10	重构软件	同时获取振幅和相位信息
负球差成像	57^[32]	σ<1^[33]	< 5	负球差系数	对轻元素敏感
高角环形暗场成像	40.5^[34]	σ<1^[27]	< 50	环形探测器	对重元素敏感
环形明场成像	44.4^[35]	1.5 <σ<3.8^[36]	< 50	环形探测器	对轻元素敏感
积分差分相位衬度成像	63^[37]	0.97 <σ<2.3^[33]	< 50	四象限探测器	对轻元素敏感、低剂量
电子叠层衍射成像	23^[38]	σ< 1^[38,39]	< 50	高速探测器、特定算法	深亚埃分辨、低剂量

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