《自然.通訊》：北大高鵬在皮米尺度精確測量表面結構

電子顯微鏡實驗室高鵬研究員在皮米尺度精確測量表面結構方面取得重要研究進展　

　北京大學“電子顯微鏡與電子光學實驗室”的“青年千人”計劃研究員高鵬與日本、臺灣的合作者通過基于高空間分辨率(45皮米,目前最高紀錄)的定量環形明場像技術（ABF）發現，鈦酸鋯鉛（PbZr0.2Ti0.8O3）鐵電薄膜表面存在異常的原子重構。鐵電薄膜的表面結構對鐵電數據存儲、傳感、表面化學等應用都有很重要的影響。但是在此之前，由于缺乏有效的表征手段來研究這些絕緣復雜氧化物的表面物性，人們對鐵電材料的表面原子結構知之甚少。高鵬研究員過去幾年在美國、日本一直從事基于圖像定量化分析、原位動力學探測等先進電子顯微學技術來研究鐵電材料的缺陷結構和鐵電疇翻轉的動力學過程。他與合作者曾系統地報道過界面對疇的成核效應【Nat. Commun. 2，591 (2011)；Science 334，968 (2011)】、缺陷與疇壁的相互作用【Nat. Commun. 4，2791 (2013)；Nat. Commun. 5，3801 (2014)】、疇的穩定性【Adv.Mater. 24，1106 (2012)】等。

　　他們最新的研究成果是通過利用環形明場成像技術在皮米（0.001納米）尺度上精確測量陰、陽離子之間的鍵長來計算表面結構的細微畸變（圖一）。研究表明，在不同極化取向的鐵電疇中，PbZr0.2Ti0.8O3的表面原子結構完全不一樣，在表面薄層中可以存在“鐵電死層”和高能的帶電疇壁。這些發現為鐵電薄膜、鐵電陶瓷、鐵電表面催化等應用提供了非常重要的信息。同時，發展起來的基于環形明場像技術定量測量絕緣氧化物表面結構的方法將極大地提高人們對這些復雜功能氧化物材料物性的認知。該研究成果近期發表于《自然-通訊》上【Nat. Commun. 7，11318 (2016)】，高鵬研究員為論文的第一作者和共同通訊作者。上述研究得到了北京大學電子顯微鏡實驗室、中組部“青年千人”計劃、2011協同創新中心、自然科學基金等項目經費的資助。

　　由物理學院俞大鵬院士領導的北京大學“電子光學與電子顯微鏡實驗室”——校級大型公共儀器平臺在2015年底增置了兩臺國際上迄今最先進的球差矯正透射電鏡(圖二)：Nion公司的配置單色儀的U-HERMES200（能量分辨率8meV）和FEI公司的雙球差矯正的Titan Cubed Themis G2 300（空間分辨率60pm）。與此同時，俞大鵬院士也積極在國際上招募青年才俊，重點發展電子顯微學新技術在材料科學方面的應用，進一步提高大型高端儀器的管理水平、提升電鏡平臺服務效率和質量。

圖一 (a)環形明場像的PbZr0.2Ti0.8O3薄膜的表面結構。(b)極化向下的疇的表面結構。Pb-O鍵長在表面附近的變化趨勢，表明表面附近存在鐵電死層和180度的帶電疇壁。 (c)極化向上的疇的表面結構。Pb-O鍵長在表面附近的演化表明不存在明顯的表面重構。(d)極化平行于表面的疇的表面結構。Pb-O鍵長在表面附近的演化，表明表面附近存在鐵電死層和90度的帶電疇壁。

圖二 北京大學電鏡實驗室新購置的兩臺球差矯正透射電鏡。（a）FEI的雙球差矯正電鏡Titan Cubed Themis G2 300, 配DPC，EDX，EELS，Lorentz等功能,電壓范圍60-300kV,空間分辨率最高60pm，寬極靴，適合于各種原位實驗。（b）Nion的帶單色儀球差矯正掃描透射電鏡U-HERMES200。電壓范圍40–200kV。能量分辨率最高8meV，空間分辨率最高60pm。