电子显微镜测量通常是通过收集 2D 网格中的所有点来进行的。在这里，使用实时深度学习，仅测量感兴趣的位置（彩色圆圈），从而允许对更多种类的材料进行实验，甚至是那些在光束下发生变化的材料。图片来源：Kevin Roccapriore 和 Scott Gibson/ORNL，美国能源部
由能源部橡树岭国家实验室领导的一个研究小组设计了一种独特的方法来观察材料在原子水平上的变化。该技术为理解和开发用于量子计算和电子学的先进材料开辟了新的途径。该论文发表在《科学进展》杂志上。
这项名为快速目标检测和动作系统 （RODAS） 的新技术结合了成像、光谱学和显微镜方法，以捕捉转瞬即逝的原子结构形成时的特性，从而为了解材料特性在最小尺度上如何演变提供了前所未有的见解。
将扫描透射电子显微镜 （STEM） 与电子能量损失光谱 （EELS） 相结合的传统方法受到限制，因为电子束会改变或降解被分析的材料。这种动态通常会导致科学家测量改变的状态，而不是预期的材料特性。RODAS 克服了这一限制，并将系统与使用实时机器学习的动态计算机视觉成像集成在一起。
在分析标本时，RODAS 只关注感兴趣的区域。这种方法可以在几秒钟或几毫秒内进行快速分析，而其他 STEM-EELS 方法有时可能需要几分钟。重要的是，RODAS 可以在不破坏样品的情况下提取关键信息。
所有材料都有缺陷，这些缺陷几乎可以直接影响材料的任何特性，例如，无论是电子、机械还是量子。缺陷可以在原子水平上以多种方式排列，包括本质和响应外部刺激（如电子束照射）的排列。
遗憾的是，这些不同缺陷配置的局部特性尚不清楚。尽管 STEM 方法可以通过实验测量此类配置，但在不改变特定配置的情况下研究它们极具挑战性。
“了解缺陷配置对于开发下一代材料至关重要，”该研究的主要作者、ORNL 纳米相材料科学中心的 Kevin Roccapriore 说。“如果具备这些知识，我们可以有意识地创建特定配置来生成特定属性。此类工作与观察和分析活动完全分开，但代表了对未来具有潜在影响的一个方向。
释放量子材料的潜力研究团队在单层二硫化钼上展示了他们的技术，这是一种很有前途的半导体材料，可用于量子计算和光学应用。二硫化钼特别有趣，因为它可以从称为单硫空位的缺陷中发射单光子。
在这种材料中，单个硫空位是指其蜂窝状晶格结构中不存在一个硫原子，这是原子的排列。这些空位可以聚集，产生独特的电子特性，使二硫化钼在先进技术应用中具有价值。
通过研究二硫化钼和类似的单层材料，科学家们希望在原子尺度上回答有关光学或电子特性的重要问题。
材料科学的新前沿RODAS 技术代表了材料表征的重大飞跃。它使研究人员能够在分析过程中动态探索结构-性能关系，在特定原子或缺陷形成时对其进行测量，有效地收集有关各种缺陷类型的数据，适应以实时识别新的原子或缺陷类别，并在保持详细分析的同时最大限度地减少样品损伤。
通过将这项技术应用于单层钒掺杂二硫化钼，研究团队对电子束照射下缺陷的形成和演变有了新的理解。这种方法允许探索和表征动态状态下的材料，从而更深入地了解材料在各种刺激下的行为。
Roccapriore 说：“高级电子显微镜等材料科学技术继续扩大我们对物理世界的理解，而 RODAS 等系统可以在加速发现和创新方面发挥关键作用。
“在原子尺度上实时观察和分析材料的能力显示出突破计算、电子等领域界限的潜力，并最终推动变革性技术的发展。”
更多信息：Kevin M. Roccapriore 等人，用于电子束变换过程中单原子和缺陷测量的动态 STEM-EELS，Science Advances（2024 年）。DOI： 10.1126/sciadv.adn5899
期刊信息： Science Advances
