朱静课题组：利用球差矫正电镜研究铋锶钙铜氧超导氧化物取得最新进展

tianliang

材料学院朱静教授课题组、物理系段文晖教授课题组及薛其坤教授课题组在材料领域权威期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上联合发表了题为“掺杂氧原子在铋锶钙铜氧超导氧化物中的直接观察”（Visualization of Dopant Oxygen Atoms in a Bi2Sr2CaCu2O8+δ Superconductor）的研究成果。研究利用球差矫正电镜中的iDPC-STEM成像和模拟技术 (基于扫描透射成像的积分-微分相位衬度方法)，直接观察到了Bi2Sr2CaCu2O8+δ（Bi-2212）超导氧化物中的掺杂氧原子在晶格点阵中的位置。

掺杂氧原子

适当浓度的掺杂氧原子对于铜基超导氧化物中空穴载流子浓度和超导特性都至关重要。因此，测定掺杂氧原子的位置，了解引入掺杂氧原子后对原有晶体的对称性和电、磁序参量的影响，对于理解超导形成机制具有十分重要的意义。该工作利用iDPC-STEM技术，直接在原子尺度上观察到了Bi2Sr2CaCu2O8+δ中掺杂氧原子的位置。结果表明，室温下掺杂氧原子位于BiO和SrO原子层中间的张应力区域，并呈现不均匀分布，有的区域出现成对氧原子，有的区域呈现单个氧原子。这表明BiO和SrO原子层层间为超导的空穴载流子库。以实验获得的数据构建了单胞的原子构型，运用第一性原理计算，研究了掺杂氧原子对点阵、轨道和电荷序参量的影响。结果表明，在原有无公度调制结构的基础上，掺杂氧原子的引入加剧了BiO和SrO层的畸变，导致CuO5配位场的畸变。同时，Bi原子与掺杂氧原子之间发生了电荷转移。CuO5配位场的畸变，也有利于电荷从BiO层向CuO2层的转移。该工作为超导机制的理解提供了帮助。


文章的两位审稿人都分别指出了文章的价值和重要性：“这项工作很有意义也非常重要。他们的实验和数据为 Bi-2212超导体中电荷转移机理提供了合理的解释和说明。这个结果对高温超导领域的研究者有一定的帮助。”“Bi-2212化合物是一种非常重要的超导材料，该论文对该材料中掺杂氧原子的位置给出了清晰和结论性的阐述。”


该论文共同第一作者为材料学院宋东升博士（博士生期间完成工作），博士生张学峰和物理系廉朝胜博士（博士后期间完成工作），通讯作者为朱静教授和段文晖教授。
该研究工作得到了国家自然科学基金基础科学中心项目和国家自然科学基金重大项目及973项目等支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.201903843


球差校正透射电镜(Spherical Aberration Corrected Transmission Electron Microscope: ACTEM)随着纳米材料的兴起而进入普通研究者的视野。超高分辨率配合诸多分析组件使ACTEM成为深入研究纳米世界不可或缺的利器。100 kV的电子束的波长为0.037埃，而普通TEM的点分辨率仅为0.8纳米。这主要是由TEM中磁透镜的像差造成的。球差即为球面像差，是透镜像差中的一种。其他的三种主要像差为：像散、彗形像差和色差。透镜系统，无论是光学透镜还是电磁透镜，都无法做到绝对完美。对于凸透镜，透镜边缘的会聚能力比透镜中心更强，从而导致所有的光线(电子)无法会聚到一个焦点从而影响成像能力。在光学镜组中，凸透镜和凹透镜的组合能有效减少球差，然而电磁透镜却只有凸透镜而没有凹透镜，因此球差成为影响TEM分辨率最主要和最难校正的因素。此外，色差是由于能量不均一的电子束经过磁透镜后无法聚焦在同一个焦点而造成的，它是仅次于球差的影响TEM分辨率的因素。


朱静,1938年10月出生于上海，籍贯浙江杭州。清华大学材料学院教授、清华大学校务委员会委员。1995年当选为中国科学院院士，2007年当选为发展中国家科学院院士。1962年毕业于复旦大学物理系。1962.9-1996.3 在钢铁研究总院工作，期间1980年8月由教育部、冶金部派往美国visiting scholar, 1980.10-1982.9 在美国Arizona State University亚利桑那州立大学固体研究中心任Faculty Research Associate, 1984.9-1985.4 在美国亚利桑那州立大学天文和物理系任Faculty Assoc. Professor。1996年至今任教于清华大学。现任北京电子显微镜中心主任、中国钢研科技集团公司双聘院士。兼任中国材料学会荣誉理事、中国电子显微镜学会常务理事，The editor of <Journal of Electron Microscopy>，The Editor Board Member of <Solid State Communication>, The consultor of IUCr (International Union of Crystallography) Commission on Electron diffraction 等职。


薛其坤，清华大学副校长，中国科学院院士，国际著名的实验物理学家，其主要研究方向为扫描隧道显微学、表面物理、自旋电子学、拓扑绝缘量子态和高温超导电性等。曾获何梁何利科学与技术进步奖（2006）、国家自然科学二等奖（2005、2011）、第三世界科学院物理奖（2010）、求是杰出科技成就集体奖（2011）、陈嘉庚科学奖（2012）、“万人计划”杰出人才（2013）、求是杰出科学家奖（2014）、何梁何利科学与技术成就奖（2014）、未来科学大奖－物质科学奖（2016）和国家自然科学奖一等奖（2018）等奖励与荣誉。2013年他带领的团队与合作者首次从实验上发现量子反常霍尔效应，这是建国以来中国物理学家发现的最重要物理效应之一，被2016年诺贝尔物理奖评奖委员会列入该领域过去三十年最重要的实验成果之一。