基于原位电子显微技术的二维材料表征和操控研究进展

人类社会的进步与材料发展息息相关,从石器、青铜器、铁器到半导体材料以及各类新材料的制备与使用,使生产力从手工发展到机械化和信息化,极大提高了人们的生产效率与生活质量。近年来发现的二维材料,如单层石墨烯、黑磷、氮化硼、硫属过渡族金属化合物等,是厚度不到头发丝十万分之一的超薄纳米材料。二维材料不仅超薄,而且具有丰富和优异的物理、化学性质,如石墨烯的力学强度比钢铁还要高100多倍,其导电性也高于金属材料,可应用于制造轻薄的柔性电子产品。利用单层过渡族金属硫属化合物的超薄尺寸和良好的半导体性质,能够提高芯片的性能。实现二维材料的可控制备和性能调控,需要对二维材料及其在外部环境激励下的形貌、晶体结构和化学成分进行原子尺度的表征和动态分析。随着微纳加工精细度的提高,尤其是MEMS技术的发展,原位透射电镜技术可以保证在不破坏电镜原有高真空度和原子级别分辨率的条件下,在狭小的样品腔中引入各种外场和环境,甚至实现多场耦合。通过实时分析样品的微观结构和成分在不同外场和环境中的变化过程,揭示二维材料在外场作用下的演变规律,对二维材料的可控制备、性能调控和应用都具有重要的意义。

华东师范大学吴幸课题组在Small最新综述里系统分析了原位透射电子显微学表征和操控二维材料的特点与优势,并介绍了近期本领域取得的新进展。原位透射电镜能够精确识别二维材料中小至原子级别的缺陷,并追踪其产生和迁移等演变过程,二维材料的缺陷和界面对其物理、电学、化学等特性有重要影响。原位透射电镜技术能为实现二维材料的高质量制备和性质的精确调控,提供重要的技术支撑。原位透射电子显微技术不仅能分析二维材料中原子级别的结构和成分信息,还能通过施加外场来操控二维材料。本文介绍了透射电镜中常用的外场及环境,包括电子束辐照、热场、力场、电场、液/气体环境等,与二维材料的动态相互作用及演变规律。该技术对促进二维材料在电子信息、能源、功能材料、航空航天、节能环保、生物医药等领域的应用具有重要的意义。最后总结了目前原位电镜应用于二维材料领域所遇到的问题,并展望了其未来的发展方向。

相关研究成果在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201604259)上,第一作者为华东师范大学骆晨和王超伦。