原子层厚二维材料的定量电子显微学表征

The two-dimensional (2D) monolayer material attract people’s attention in recent 10 years. It has promising applicabilities in many fields due to its novel properties, e.g. optical, electronic, magnetic, and mechanical properties, etc. Since the atomic structure of material determine its properties, the research about the atomic structure of the 2D material is necessary and important. In this project, we will study the atomic structures of the 2D monolayer material, including boron- and nitrogen-doped graphene, hexagonal boron nitride, and selenium-doped molybdenum disulfide etc. By means of low-voltage aberration-corrected HRTEM and STEM, we will acquire images at the same region of monolayer material. Importantly, we will develope the advanced methods of image processing to quantitatively measure the element and three-dimensional position of each atom. And the density functional theory will be used to analyze the structure measured from experimental images. The structural evolution on the 2D monolayer material is very interesting, such as doping and defect generation. With the success of this project, the developed experimental combination of HRTEM and STEM and the novel technique of atomic analysis are potential for the quantitative analysis of the dynamic process at atomic scale.

原子层厚二维晶体材料是近十年出现的重要纳米材料，因其具有特殊光学、电学、磁学、机械性能等性质，应用前景广泛，因此备受科学界青睐。原子尺度的结构与性能相互关联，开展二维晶体的原子结构研究意义重大。本项目中，我们将主要针对硼氮掺杂石墨烯、氮化硼、掺硒硫化钼等二维晶体开展研究，拟运用低加速电压球差校正高分辨率电子显微术(HRTEM)和扫描透射电子显微术(STEM)，对同一样品区域进行拍照；我们将着重针对单原子分析发展像处理理论与方法，定量地确定样品上每个原子的元素信息、三维坐标；并将运用密度泛函方法对求解的结构进行合理性分析。原子层厚二维材料会产生许多有趣的结构变化，如掺杂、缺陷产生等，本项目发展的HRTEM与STEM结合技术以及先进的原子分析技术，将最终为原子动力学运动过程的定量分析打下基础。

原子层厚二维晶体材料是近十年出现的重要纳米材料，因其具有特殊光学、电学、磁学、机械性能等性质，应用前景广泛，因此备受科学界青睐。低加速电压球差校正高分辨率电子显微术(HRTEM)和扫描透射电子显微术(STEM)是观测二维晶体在原子尺度结构的重要工具，我们针对上述电镜像的定量分析发展了一系列的算法和程序。首先，我们提出了从单张HRTEM像重建二维晶体出射面的波函数相位的算法，可以有效去除成像时像差的畸变影响，有助于原子位定量的精度。其次，我们提出了多椭圆拟合法精确确定原子位置及强度分布，该方法可以用于定量原子高度信息；再次，我们完成单层二硫化钼的合成与定量工作，获得原子尺度的缺陷及边界结构；最后，我们为电镜、材料领域的同行提供了本课题组开发的原子定量算法和软件，精度高、操作方便并且功能丰富。在样品方面，我们主要研究石墨烯结构，利用重建算法，可以从相位直接分析原子量级的线缺陷结构；并且，我们分析了掺硒二硫化钼的二维晶体的原子结构，用无监督分类算法精确地获得元素成分，并分析了晶界、边缘的晶体结构。本项目以发展方法学和实际应用为主，发展的电镜像定量分析方法和技术有助于在原子尺度研究晶体结构的动态变化。