基元构筑的功能材料皮米尺度结构

Picoscale structure of functional materials constructed by functional units

肖东东，谷林

物理学报, 2023, 72(11): 116801.

doi: 10.7498/aps.72.20230045

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具有力、热、光、电、磁等特性的功能材料已广泛用于通信、信息、医疗、能源和交通等多个领域，在人们的日常生活中扮演着不可或缺的角色。与此同时，科学技术的快速发展和人类社会的进步对功能材料也提出了更高的要求，推动着其不断向高性能化、精细化和多功能化方向发展。过去功能材料的性能调控主要依赖于对结构与功能性之间内在联系的理解，以及在此基础上通过改变化学组成、晶体结构和合成工艺来实现最终目的。但是这一研究思路难以实现高性能功能材料高效、精准的制备，同时也制约着新物性和新物理效应的探索。最近，人们提出了利用对材料功能性起决定性作用的微观结构单元（即功能基元）构筑高性能材料的新范式，为材料科学的发展提供了有别于传统成分设计的材料发展模式。

由于功能基元的化学组成、尺度、构型以及空间分布呈现出明显的复杂性和多样性，准确地理解功能基元构筑的新材料与宏观性能之间的内在联系，要求人们全面、系统地表征功能基元构筑的功能材料内部结构。具有皮米测量精度的像差校正透射电子显微镜是解析低对称性材料和复杂化学体系材料原子结构、化学组成和电子组态的重要工具，为实现高精度、多维度表征功能基元及其空间的构筑方式、建立构-效关系提供了重要途径。本文着眼于功能基元构筑的氧化物功能材料的微观结构，从球差校正透射电子显微学的角度重点介绍不同尺度的、具有代表性的功能基元（包括氧多面体、铁电畴、晶相）在皮米尺度上的本征特性与空间排列。在总结前人工作的基础上，详细地论述了三类典型功能基元的空间构筑方式和宏观性能之间的关联，突显了具有皮米测量精度的球差校正透射电子显微镜表征功能基元序构材料内部结构方面的重要性。最后，文章指出了功能基元构筑的功能材料研究所面临的科学问题与挑战，并且从电子显微学的视角提出几种可能的解决方案。

图1  典型晶相功能基元构筑的功能氧化物材料原子结构 (a) LuFe₂O₄(左上)和LuFeO₃(右上)的晶体结构、原子分辨高角环形暗场像以及由两者构筑的(LuFeO₃)_m/(LuFe₂O₄)₁ (6 ≤ m ≤ 10)超晶格；(b) (SrRuO₃)₁/(BaTiO₃)₁₀超晶格原子结构以及极化矢量分布(左图)，其中箭头表示钙钛矿B位原子相对于氧八面体中心的位移，右图为垂直于超晶格界面方向钙钛矿A位和B位原子的衬度曲线；(c) Li_1.2Mn_0.567Ni_0.166Co_0.067O₂正极材料同一区域沿[1-10]_rh带轴的高角环形暗场像(左图)和环形明场像(右图)，其中P，R分别表示单斜的类Li₂MnO₃结构平行四边形和矩形对称性，右图中的结构模型表示交互生长的两相和异质界面的原子排列