透射电镜探索量子材料领域前沿

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）作为现代材料科学研究的核心工具之一，不仅拥有原子级空间分辨率，还具有强大的多维信息获取能力以及对电子态、晶格振动等关键参数的敏感探测。近年来，随着像差校正技术、原位实验平台和超快探测技术的突破，TEM在高温超导、拓扑量子态、低维材料和缺陷工程等前沿领域的研究中发挥了不可替代的作用，并成为研究量子材料的重要手段。

中国科研人员对量子领域的研究与应用一直十分重视，其中对量子材料，诸如高温超导材料、拓扑量子材料等领域的研究处于国际前沿。同时，政策支持与全产业链布局也在加速技术转化。量子材料的独特之处，在于因其电子关联效应、拓扑特性或低维限域效应等展现出超导、量子自旋液体等奇异物性，其微观机制往往隐藏于原子排列、电子轨道分布及动态行为中。在量子领域的研究中，TEM技术则凭借上述优势主要应用于对量子材料的结构解析、电子结构探测以及缺陷与界面研究三个方面。

一、量子材料结构的精准解析

量子材料的宏观物性与其晶体结构、缺陷分布及界面状态密切相关。在对高温超导材料硼掺杂Q-碳的研究中，科研人员利用高角环形暗场成像（HAADF）得到硼在碳质薄膜中均匀分布的清晰图像，同时结合电子能量损失谱（EELS）精确测定硼掺杂碳质区域的平均硼浓度为27%。^[1] 对于拓扑材料（如外尔半金属TaAs），原子级分辨的扫描透射电子显微镜（STEM）成像证实了表面As原子层的重构，为拓扑表面态的存在提供了结构证据。

二、电子结构的有效探测

量子材料中电子轨道的空间分布和能量依赖关系决定了其拓扑特性与关联行为。EELS结合单色器技术可实现亚电子伏特级能量分辨率，已有科研人员利用多层电子叠层衍射成像（MEP）结合EELS技术，实现了La₃Ni₂O_7-δ单晶中氧原子空位的原子尺度高精度定量表征（图1），并揭示了其对电子结构和电荷转移特性的影响。^[2]

图1 不同成像技术下La₃Ni₂O_7-δ单晶的原子级分辨图像

三、缺陷与界面的原子级成像分析

量子材料的功能化常依赖于缺陷工程与异质界面设计。例如，研究人员通过STEM技术获得含有V_S和V_2S缺陷的1H-MoS₂层原子级分辨图像，由此明确其缺陷态来源于单硫和双硫空位。^[3] 在对于氧化物界面超导性质的研究中，科研人员不仅由STEM得到铁磁绝缘氧化物EuO和绝缘氧化物KTaO₃构成的EuO/KTO(110)异质结的原子级分辨图像（图2），还通过EELS技术揭示Eu向KTO的掺杂跨越界面约三个原子层，构成的氧化物界面呈现出非传统量子态的二维超导特性。^[4]

图2 EuO/KTO(110)异质结的STEM原子级分辨图像

结语

尽管TEM在量子材料研究中成果斐然，但其在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，超快电镜的时间分辨率还需提高，以实现对量子材料拓扑相变等超快动力学过程的捕捉；三维原子重构技术仍存在障碍，量子材料（如二维异质结）倾转成像过程中产生应变弛豫，可能会导致三维图像重构失真；电子束敏感的量子材料辐照损伤限制了其高分辨率表征，并导致瞬态信息提取和原子级三维成像困难。 未来，随着TEM在时间和三维空间分辨率、低温低剂量成像以及机器学习辅助分析技术等方面的发展，有望为量子材料研究提供更强大的原子级实验平台。博众仪器也将持续致力于先进TEM技术开发，并联合高校、科研院所等机构不断提高研发能力，实现技术迭代，打破国外电镜品牌在国内市场的垄断格局。我们相信，TEM技术也必将在量子材料设计与器件化进程中扮演更为关键的角色。

参考文献

[1] Anagh Bhaumik and OrcidRitesh Sachan, et al. Discovery of High-Temperature Superconductivity (Tc = 55 K) in B-Doped Q-Carbon. ACS Nano 2017, 11, 12, 11915–11922

[2] Dong, Z., Huo, M., Li, J. et al. Visualization of oxygen vacancies and self-doped ligand holes in La₃Ni₂O_7−δ. Nature 630, 847–852 (2024).

[3] Wang, Y.; Deng, L.; Wei, Q. et al. Spin-Valley Locking Effect in Defect States of Monolayer MoS₂[J]. Nano Letters, 2020.

[4] Hua, X., Meng, F., Huang, Z. et al. Tunable two-dimensional superconductivity and spin-orbit coupling at the EuO/KTaO3(110) interface. npj Quantum Mater. 7, 97 (2022).