能源低维材料低电压低剂量原位衍射成像表征研究

As the age of cheap oil and fossil fuels is coming to an end, humanity will face an energy crisis. Many promising solutions involve the use of advanced nano-materials and nanotechnology for energy saving, energy storage and energy conversion. It is essential to unraveling the structure–function relationship, which provides direct information for a rational design of the highly efficient energy materials. The new challenges for characterizing these complex nanostructured materials are seen as one of the major driving forces for the current revolution in electron microscopy. Currently advanced transmission electron microscopy (TEM) enables us to obtain significant details at atomic scale ranging from the morphology, elemental distribution, chemical and crystallographic information. Unfortunately, during high-resolution imaging, the electron-beam damage on the structure of the irradiated part is unavoidable and a major obstacle to applications of TEM/STEM operating at any voltage. To avoid this issue, this project proposes to develop a novel imaging technique and optical system of scanning electron coherent diffractive imaging with low-dose electrons, which potentially allows for radiation damage-free imaging. Further more, this technique will provide a high sensitivity phase image, which allows e the light atoms (ie. oxygen, lithium) to be resolved along with the heavy atoms in oxide catalyst nanoparticle or lithium battery with sub-ångström spatial resolution. This two dimensional phase imaging provides quantifiable information about the number of atoms in the column, which can apply to single (or dual)-metal catalyst particles for the determination of structure and morphology. The output of this project can provide a revolutionary new technique to characterize the energy-related nanostructured materials at sub-atomic scale, and lead to a powerful scientific support for the design and control of their physical and chemical properties.

在能源领域研究中，精准获得纳米材料可量化的精细结构、化学组分和三维形貌等信息是建立材料构-效关系的基础和必要前题，也是纳米结构探测技术领域的热点和难点课题。由于此类材料常常在电子束辐照下损伤和分解，因此样品制备、表征、测量以及理论分析方法都亟待完善。本项目是发展一种新型亚原子级分辨的扫描相干衍射成像技术，通过利用高级算法设计取代昂贵的像差校正器，获得远高于传统电镜分辨率的图像。一方面是增强对弱相位样品对电子束相位变化的敏感度和分辨率，提高对轻元素的灵敏探测，如锂电等材料中锂，乃至氢等元素。另一方面，由于理论上可以达到衍射极限，该技术有望在非球差校正的低压电镜上应用，实现原子级分辨率的成像。低压、低辐照损伤成像，特别是结合自主研发的原位芯片技术，可以实现对锂电池脱嵌锂的微观结构变化机制和太阳能钙钛矿电池的结构稳定性等动态的研究，具有极其重要的科学意义和实用价值。

近年来，材料科学领域所关注的纳米材料往往向更为复杂的低维结构和亚稳结构进行探索和发现，比如二维材料,有机-无机杂化材料,固态电解质材料等，它们在催化、分离和能源转化及储存等多个领域都有广泛的应用。但是这些材料中有相当大的比例是电子束敏感材料，并且无法用传统电子显微技术进行显微结构研究。因此，对它们进行纳米至原子尺度的无电子束损伤成像和显微结构研究成为了一个亟待解决的重大挑战。本项目，基于“无透镜”电子全息成像技术，利用电子衍射大数据，结合计算机重构的成像技术，实现了低温、超高分辨、高相位衬度、适用于轻质元素、低辐照损伤、高电子剂量效率以及三维成像的电子衍射叠层计算机重构成像技术。该技术的实现，无论是对于电子衍射全息成像技术领域还是冷冻电镜技术领域，都是一个重要的突破，为包括能源材料、二维材料、生物样品、有机材料及有机无机复合材料等易受电子辐照损伤样品的成像提供了可靠的技术手段，特别为结构生物学研究中蛋白结构的高分辨、高衬度和高信噪比成像表征提供崭新的思路和技术手段。利用低压低辐照损伤电子显微技术，在原子尺度上研究了多种电池和二维材料，揭示低维的结构和性能性能及其它相关新奇现象的物理本质，为新一代能源和信息存储的研发提供重要的实验基础和理论依据。在科学期刊发表SCI论文23篇。在国际国内会议口头报告14次，其中特邀报告8次。项目成果获得国家发明专利授权1件，专利申请6件。获得美国专利授权1件，国际发明申请2件。获得江苏省物理学会科学技术一等奖，江苏省真空学会青年科技奖和江苏省药物研究与开发协会杰出青年奖。