科学家揭示了分子中电子电荷交易所的机理

加州大学欧文分校的研究人员开发了一种新的扫描透射电子显微镜方法，该方法能够以亚埃分辨率显示材料的电荷密度。

通过这种技术，UCI的科学家能够观察Atom和分子之间的电子分布，并揭示铁电起源的线索，铁电是某些晶体具有自发极化的能力，可以通过施加电场进行切换。今天发表在《自然》杂志上的一项研究强调了这项研究，该研究还揭示了两种材料之间电荷转移的机理。

研究小组负责人潘晓庆说：“这种方法是电子显微镜技术的发展-从检测Atom到成像电子-可以帮助我们设计出具有所需特性和功能的新型材料，以用于数据存储，能量转换和量子计算的设备。” ，UCI的Henry Samueli授予工程学系主任以及材料科学与工程学以及物理学与天文学教授。

他的团队使用一种新型的像差校正扫描透射电子显微镜，该显微镜带有一个可测量半埃的精细电子探针和一个快速直接电子检测相机，能够从样品中的感兴趣区域获取衍射图的二维光栅图像。所获得的数据集为4D，因为它们由2D扫描区域中每个探针位置的2D衍射图组成。

潘说：“借助我们的新显微镜，我们可以常规地形成小至0.6埃的电子探针，而具有角分辨率的高速相机可以以每秒300帧的速度获取512 x 512像素的4D STEM图像。” “使用这种技术，我们可以看到两种不同的钙钛矿氧化物，非极性钛酸锶和铁电铋铁氧体中Atom之间的电子电荷分布。”

散装材料中的电子电荷密度可以通过X射线或电子衍射技术来测量，方法是假设束照射区域内具有完美的无缺陷结构。但是，潘说，在解决由界面和缺陷组成的Nano结构材料中的电子电荷密度方面仍然存在挑战。

他说：“原则上，局部电场和电荷密度可以通过使用像差校正的扫描透射电子显微镜和亚埃电子探针的电子衍射成像来确定。” “通过样品时，电子束在其路径中与材料的内部电场相互作用，从而导致其动量的变化反映在衍射图中。通过测量该变化，可以发现样品局部区域的电场可以描绘出，并且可以得出电荷密度。”

潘补充说，尽管这一原理已经在仿真中得到了证明，但是到目前为止，还没有任何实验成功。

UCI材料科学与工程系的博士后研究员Wenweni Gao说：“使用4D STEM方法获得的电子电荷密度图与来自第一原理计算的理论结果相匹配。” “使用这种技术对铁酸铋和钛酸锶之间的铁电/绝缘体界面的研究直接表明了铋Compound极性Atom结构的特征如何通过界面泄漏，出现在通常为非极性的钛酸锶中。结果，界面容纳了被限制在小于1Nano厚的小区域内的多余电子。”

潘说，该项目为材料科学家和工程师提供了用于评估功能材料和Nano器件的结构，缺陷和界面的新工具。他指出，可能很快就可以对材料和分子的电荷密度进行高通量分析，以添加到“材料基因组计划”的属性数据库中。

UCI物理与天文学教授吴如谦（Ruqian Wu）表示，“随着电子显微镜从对Atom成像到探测电子的发展，它将在材料研究中带来新的理解和发现。” “能够对靠近界面，晶界或其他平面缺陷的Atom周围的电荷密度分布进行成像的能力，为电子显微镜和材料科学开辟了新领域。”

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