新型三维相干电子衍射成像技术研究及其在能源材料中的应用

Transmission electron microscopy(TEM) has become an indispensable tool for many materials research due to its ultra-high spatial resolution. In the past few years, a new imaging mode called ptychography has become a routine technique for synchrotron X-ray imaging. At the same time, researchers from Stanford University used this technique to achieve a resolution of 0.039 nanometers on TEM, surpassing all that of existing ultra-high resolution aberration-corrected transmission electron microscopy. In addition, the advantages of ptychography are high contrast imaging of light elements and less electron dose required for imaging. This can solve the problem that lithium atoms imaging in battery materials is difficult, and that the material is easy to be damaged by electrons. In this proposal, we intend to achieve three-dimensional high-resolution imaging of lithium battery materials by combining ptychography and tomography. We aim to clarify the original crystal structure, conduction mechanism, and microscopic origin of performance degradation of the material. This can be realized by three-dimensional observation of atomic occupancy of lithium, lattice distortion, chemical valence state, charge potential distribution and surface interface structure, and provides theoretical guidance for the research and design of high performance battery materials.

透射电镜由于其超高空间分辨能力而成为许多材料研究必不可少的工具。过去几年间，一种被称为相干衍射叠层成像（Ptychography）的新型成像模式已经成为了同步辐射X射线成像的常规技术手段。与此同时，来自斯坦福大学的研究者们利用这一技术在透射电镜上实现了0.039纳米的分辨率，超过了现有的所有超高分辨像差校正透射电镜。此外，叠层成像的优势是对轻元素成像对比度高，成像所需的电子剂量较少等。这能够解决锂电池材料中锂元素成像困难，材料易受电子束损伤等问题。本课题拟结合叠层成像和倾转系列断层成像（Tilt Series Tomography）技术，实现对锂电池材料的三维高分辨成像。通过对锂原子占位、晶格畸变、化学价态、电荷电势分布以及表界面结构等的三维观察，旨在阐明材料的原始晶体结构、导电机制以及性能退化的微观起源。这将为高性能电池材料的研究和设计提供理论指导。

透射电镜是材料科学研究表征中最重要的工具之一。近年来，由于高速相机以及直接电子探测技术的快速发展，使得一部分新的成像表征技术成为了研究和实验的前沿领域，特别是4D-STEM技术以及基于这一数据的叠层成像技术。我们系统性的总结了过去全固态锂电池在透射电镜领域的原位以及非原位表征工作，提出并展望了结合4D-STEM与原位冷冻技术来实现材料的低损伤表征方案，并以此为基础开发了自己的开源软件。此外，我们通过结合叠层成像算法与断层扫描技术开发了三维叠层成像技术，并首次在透射电镜上完成展示。这一三维成像技术的优势在于能够通过叠层成像技术的“后聚焦“能力，优化掉原本断层扫描技术需要在每个转动方向上耗费大量时间进行的精确聚焦工作。由于实验技术步骤的简化，因而能够减少原本实验中的总电子剂量，特别是这一部分电子剂量有时并不被实际统计算上。我们将这一技术应用于易损伤材料，系统地探究了在各种不同成像条件下的成像效果。同时。通过降低入射电子剂量，达到598个电子每平方埃，仍然能够获得高分辨以及高衬度的图像。进一步地，我们将这一方法的衬度和原有技术进行了定量化的对比。总的来说，我们发展了三维叠层成像技术，并拓展了4D-STEM以及叠层成像技术以及原位技术在易损伤材料领域的应用范围，展示了这一系列技术在低电子剂量，高分辨，高衬度成像上的优势。可以预见，这些技术能够进一步和其他软硬件结合，获得更好的成像效果。同时，并且由于在实际操作中简化的步骤以及低电子剂量下的成像效果，这一技术对于易损伤材料以及生物领域能够有重要的应用前景。