上交学者攻克玻璃材料 90 年待解难题，突破三维空间单原子皮米级分辨能力

　　人类科学的进步离不开对客观世界的观测。

　　传统的探测手段通常只能获得材料原子结构的二维投影，无法提供那些能够对材料性能起到重要调控作用的局部结构特征，比如缺陷、掺杂、无序等。并且，用基于静态观测的传统方法难以更好地观测材料的动力学过程，阻碍了对高性能功能材料在超快时间尺度的研究和理论发展。

　　因此，如何才能对材料结构和性能进行多维度和高精度的探测，是制约材料科学前沿研究的关键共性问题。

　　近年来，随着脉冲激光技术、球差矫正电子显微技术等的快速发展，具有高亮度和高相干性的激光、电子、X 射线逐渐被应用于材料研究中。这给下一代探测手段的开发提供了机遇，有望推动在精细四维时空中对材料新现象的探索以及重大科学问题的解决。

　　来自上海交通大学的副教授，将基于物理模型的计算成像技术和先进电磁探针相结合，从基础物理学原理出发，在数据重构中矫正成像过程中产生的畸变和误差，发展了三维原子分辨和飞秒时间分辨的探测方法。其将上述方法应用到了外延薄膜材料和纳米材料中，为一些关键问题的解决做出了贡献，拓展了人类感知客观世界的边界。

　　他所发展的技术方法有望成为未来材料、物理、生物等研究领域必不可少的重要实验测量方法，并在高性能功能材料和成像探测领域具有相应的产业化前景。

　　凭借上述开创性成果，成为 2022 年度《麻省理工科技评论》"35 岁以下科技创新 35 人 " 中国入选者之一。

　　图丨 2022 年度《麻省理工科技评论》"35 岁以下科技创新 35 人 " 中国入选者

　　将计算成像技术与先进电磁探针相结合，拓展人类感知客观世界的边界

　　读博期间，着重发展激光和同步辐射 X 射线探测新方法。其中，利用激光泵浦 - 探测原理，他搭建了一系列对材料电学、热学、晶格行为等具有飞秒时间尺度分辨能力的表征平台，在时间维度解耦了钙钛矿中电子与晶格间复杂的相互作用，阐释了超快时间尺度电导、铁电畴的光致调控机理。

　　外延薄膜材料在功能器件，尤其是集成电路中的应用广泛。其材料制备过程中会存在诸多对材料实际效能造成影响的因素。

　　针对此类材料，发展完善了基于同步辐射 X 射线和相位恢复技术的界面成像方法 Coherent Bragg Rods Analysis（COBRA），使其可以应用于具有任意对称性的外延界面体系，克服了传统电子显微技术只能获取二维投影信息、对轻元素不敏感，以及传统 X 射线衍射手段对复杂界面拟合的可靠性较低等缺点。

　　图丨（a）COBRA 方法原理的示意图 ; ( b ) 实验测量的钙钛矿氧化物界面的三维电子密度分布

　　利用 COBRA 方法，其研究了作为现代电子器件基本构型的功能材料异质结界面，首次精确表征了钙钛矿材料界面附近的三维原子结构，阐释了界面对晶格极化和八面体旋转的调控效应，为功能材料的 " 旋转外延 " 调控方法奠定了实验基础，并发现了新奇的极化金属态。

　　该方法并非是一个简单的平均结构表征方法，它与 X 射线衍射结构表征等传统方法之间最大的区别在于，可以看到薄膜的三维原子结构在厚度方向上的演化信息。同时，作为一种成像方法，其不需要基于一个假设的模型来进行拟合，而是能够直接对薄膜的结构进行成像。

　　" 这种方法相对来说更加客观可靠，可以帮助我们更准确地认识外延薄膜的结构，从而指导优化薄膜的功能。" 表示。

　　在博士后阶段，将前期研究经验与波长更短的电子探针相结合，发展了一种更为精确的结构表征方法 Atomic Electron Tomography（AET）。

　　图丨 ( a, b ) 高精度 AET 方法原理示意图 ; ( c-e ) 从左到右分别为实验测量的无定形态钽薄膜、钯纳米颗粒和多组分合金颗粒的三维原子结构

　　AET 方法由在加州大学洛杉矶分校做博后时的导师苗建伟教授提出。该方法简单来说就是，如果想要得到一个物体的三维结构，可以通过测量物体在不同旋转角度下的投影，再通过计算的方法，将这一系列图片合成三维结构。

　　但如何才能真正实现三维空间单原子的分辨能力，却始终是 AET 必须突破的关键点。

　　为了攻克上述难题，基于 AET 方法并通过旋转投影，从中恢复出了三维结构。具体来说，其首先发展了一套全新的重构算法，并针对采集到的实验数据进行了大量优化和校准工作，以能够更加精确地描述、处理电子束通过样品之后的传播现象，从而让这种方法突破了三维空间的皮米分辨能力。

　　利用该方法，其首次精确表征了金属薄膜和纳米颗粒在玻璃化转变附近的三维原子结构，突破了传统结构表征手段只能用于晶体结构的限制，实现了世界最高的三维单原子分辨精度。

　　该成果得到了国际电子显微和玻璃领域著名教授保罗 · 沃伊斯（Paul Voyles）的评价，称其 " 实现了玻璃材料领域长达 90 年的梦想 "。

　　兴趣引领科研一路远航

　　据介绍，他出生于一个教师家庭，父母都毕业于重点大学的理工科专业，重视培养他的自然科学知识和问题分析能力。

　　上学期间，他一直比较擅长更注重逻辑思维的学科，尤其是数学和物理。由于在高中物理竞赛中获得了河南省预赛第一、复赛第二和全国银奖，他被保送至北京大学学习物理专业，并在本科阶段辅修了数学双学位。期间，他慢慢形成了从事材料物理研究的想法。

　　后来，他获得了美国宾夕法尼亚州立大学材料系的博士学位，又先后在美国加州大学洛杉矶分校和劳伦兹伯克利国家实验室从事博后研究。2021 年，他学成回国，加入上海交通大学，从事先进材料表征方法的研究。

　　" 早在基础教育阶段，我就逐渐对生活中各类物理现象产生了浓厚的兴趣。作为自然界基本的相互作用之一，电磁相互作用不仅无处不在，而且显示出十分丰富的现象。大到利用可见光进行拍摄研究宇宙的演化，小到控制晶体中电子的运动状态来实现量子信息技术。出于对丰富电磁现象的兴趣以及其广阔的应用前景，我选择将包括激光、X 射线和电子在内的电磁探测技术和材料科学应用作为研究的主要课题。" 表示。

　　而多年的科研经历，也让对创新有了自己的认知。在他看来，创新是科研工作的生命。通常，一个理论或方法被提出以后，经过一段时间的发展，慢慢会达到它所适用范围的界限。相应地，研究成果的重要性也会呈现不断下降的趋势，最终可能被标准化的机器、软件所取代。

　　" 这时，就亟需新的方法和理论来突破研究瓶颈，发现不被前人所了解的新现象和新规律，这才能为科学研究注入新的血液。同时，在研究过程中，科研人员也应该积极接触世界最前沿的研究成果，在前人的基础之上向前推进。" 他说。

　　另外，谈及下一个阶段的研究目标，表示：" 我将结合新的原理，继续提高材料探测技术的精度和维度。比如，基于电子束的无透镜相干衍射成像方法与断层成像技术相结合，探索低辐照剂量、轻元素敏感、皮米级三维单原子分辨的材料结构表征。与脉冲激光泵浦 - 探测技术相结合，实现对材料动力学演化过程在四维时空中的探测。"

　　同时，其还将利用这些先进的探测技术，解决准晶结构、铁电拓扑态的三维演化、有序 - 无序相变等重要的科学问题，为设计高性能合金材料和功能性电子器件提 供新的机遇。

　　参考资料：

　　1. Yuan, Y., Lu, Y., Stone, G. et al. Three-dimensional atomic scale electron density reconstruction of octahedral tilt epitaxy in functional perovskites. Nature Communications 9, 5220 ( 2018 ) . https://doi.org/10.1038/s41467-018-07665-1

　　2. Yuan, Y., Kim, D.S., Zhou, J. et al. Three-dimensional atomic packing in amorphous solids with liquid-like structure. Nature Materials 21, 95 – 102 ( 2022 ) . https://doi.org/10.1038/s41563-021-01114-z

　　3.Yang, Y., Zhou, J., Zhu, F. et al. Determining the three-dimensional atomic structure of an amorphous solid. Nature 592, 60 – 64 ( 2021 ) . https://doi.org/10.1038/s41586-021-03354-0

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