【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】日前，北京理工大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院邵瑞文課題組和計(jì)算機(jī)學(xué)院付瑩教授課題組、香港城市大學(xué)董立新教授課題組合作，利用基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理技術(shù)與球差透射電子顯微鏡-原位系統(tǒng)相結(jié)合，發(fā)展人工智能電子顯微鏡(AI-TEM)技術(shù)，突破傳統(tǒng)離子遷移實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方法的空間分辨率極限，把電鏡動(dòng)態(tài)分辨率從納米尺度提升到原子尺度，實(shí)現(xiàn)界面離子遷移及微觀結(jié)構(gòu)演變的原子級(jí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)。相關(guān)成果以“Deep learning enhanced in-situ atomic imaging of ion migration at crystalline-amorphous interfaces”為題發(fā)表在《Nano Letters》上。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的大力支持。北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士生董偉康、清華大學(xué)電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室博士后王祎馳、北京大學(xué)物理學(xué)院博士楊晨為該論文的共同第一作者，北京理工大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院邵瑞文副教授、計(jì)算機(jī)學(xué)院付瑩教授和香港城市大學(xué)董立新教授為論文共同通訊作者。另外，北京理工大學(xué)物理學(xué)院李家方教授也對(duì)此工作做出了貢獻(xiàn)。
 

　　現(xiàn)代電子顯微鏡通常能達(dá)到原子級(jí)的分辨率，并能夠以皮米的精度觀察原子的復(fù)雜排列，對(duì)于材料科學(xué)、納米技術(shù)和固體物理等領(lǐng)域的研究至關(guān)重要。然而原子級(jí)掃描透射成像(STEM)成像速度慢，提高成像速度導(dǎo)致信噪比和成像質(zhì)量急劇降低，不適合進(jìn)行高空間/時(shí)間分辨動(dòng)態(tài)觀察，因此原位動(dòng)態(tài)的高空間/時(shí)間分辨表征方法仍然是領(lǐng)域內(nèi)重大基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)難題。例如，離子遷移作為一種關(guān)鍵性的微觀過程，在類腦計(jì)算、能源存儲(chǔ)、生物傳感器以及生物電子學(xué)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。這些器件中的晶體材料在工作條件下經(jīng)歷多個(gè)離子遷移循環(huán)，極易形成缺陷甚至非晶相。然而，由于界面處的非平衡性和隱蔽特性，直接以原子精度探測(cè)界面上的離子遷移仍然是一個(gè)尚未解決的難題。
 

　　團(tuán)隊(duì)在前期工作中設(shè)計(jì)構(gòu)建了一套基于掃描電鏡/透射電鏡(SEM/TEM)的多場多功能微納操作系統(tǒng)，結(jié)合機(jī)器人操作用探針和高分辨率成像電子顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了納觀結(jié)構(gòu)在三維自由空間內(nèi)的實(shí)時(shí)操作和動(dòng)態(tài)物性表征，發(fā)表于機(jī)器人與自動(dòng)化領(lǐng)域頂刊《IEEE Robotics and Automation Letters》。此外，課題組通過微納操作系統(tǒng)構(gòu)筑復(fù)雜微納器件結(jié)構(gòu)，采用原位透射電鏡與計(jì)算機(jī)輔助圖像處理，結(jié)合理論模擬，系統(tǒng)地比較研究了二維材料在離子遷移過程中的反應(yīng)機(jī)理，發(fā)表在材料領(lǐng)域國際頂級(jí)期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》。在本工作中，團(tuán)隊(duì)利用原位微納操作系統(tǒng)、球差校正電鏡、以及自主開發(fā)的基于深度學(xué)習(xí)的STEM圖像增強(qiáng)器AtomEnhancer，實(shí)現(xiàn)了晶界離子遷移的原子層次動(dòng)態(tài)觀察。通過直接的原子尺度觀察，揭示了硒化銻(Sb2Se3)在晶體-非晶界面處鉀離子遷移和微觀結(jié)構(gòu)演化的原子動(dòng)力學(xué)。
 

　　圖1. 雙傾原子分辨測(cè)試系統(tǒng)與自主開發(fā)軟件AtomEnhancer用于STEM圖像增強(qiáng)。a，雙傾原位系統(tǒng)裝置示意圖。b，具有納米機(jī)械手和β傾轉(zhuǎn)功能的雙傾桿模型，用于精確的帶軸調(diào)控。c，原位電學(xué)操控模型圖。d，AtomEnhancer方法用于STEM圖像增強(qiáng)。

 

　　圖2. 外加電場驅(qū)動(dòng)下Sb2Se3上的鉀離子占據(jù)狀態(tài)。a−c，[010]方向的TEM圖像，分別顯示3.0、5.0和10.0 s時(shí)的鉀化過程。d，c中放大的TEM圖像。e，從K插入到晶體−非晶轉(zhuǎn)化的反應(yīng)路徑的DFT計(jì)算。f)原始和鉀插入的STEM圖像。g，對(duì)應(yīng)于f的AtomEnhancer增強(qiáng)圖像。h，鉀離子占有位置統(tǒng)計(jì)。

 

　　圖3. Sb2Se3中鉀離子遷移的位置。a−c，Sb2Se3沿界面的STEM圖像。d−f，分別對(duì)應(yīng)于a−c的AtomEnhancer增強(qiáng)圖像。g−i，分別對(duì)應(yīng)于d−f的Se−K−Se線輪廓。l，計(jì)算出的Sb2Se3中K+離子位置⑤。m，分別在有應(yīng)力和無應(yīng)力時(shí)不同鉀離子位置的相對(duì)能量。

 

　　圖4. 鉀離子插層后的晶格弛豫過程。a，初始 Sb2Se3 原子結(jié)構(gòu)。b，利用 AtomEnhancer處理的圖像。c，鉀離子插層前以及插層 10 分鐘和 12 小時(shí)Sb 和 Se 原子的晶格圖案平均原子位置。d，插層 10 分鐘后的原子結(jié)構(gòu)。e，利用 AtomEnhancer 處理的圖像。f，應(yīng)變分布圖顯示插層 10 分鐘后應(yīng)變約為 −10%。g，插層 12 小時(shí)后的原子結(jié)構(gòu)。h，利用 AtomEnhancer 處理的圖像。 i，應(yīng)變分布圖顯示插層12小時(shí)后晶格內(nèi)的內(nèi)部應(yīng)變接近于零。

 

　　圖5. 界面處的重結(jié)晶過程。a，結(jié)晶-非晶界面的原子尺度圖像，其中黃色虛線區(qū)域顯示稱為“平行”結(jié)構(gòu)的重結(jié)晶結(jié)構(gòu)。b，a 中矩形區(qū)域的詳細(xì)原子結(jié)構(gòu)。c，使用 AtomEnhancer 獲得的 a 的增強(qiáng)圖像。d，c 中矩形區(qū)域的放大圖像。e，手性反轉(zhuǎn)過程的原子模型。

 

　　本文的獨(dú)特實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使我們能夠直接觀察原子級(jí)的離子遷移過程，揭示了此前未曾報(bào)道的機(jī)制。研究結(jié)果表明，界面處存在額外的活性位點(diǎn)，這些位點(diǎn)有助于更多鉀離子和電子的容納。我們還觀察到了一種新型的亞穩(wěn)態(tài)，其特征是晶格體積減少10%，隨后在鉀離子提取后發(fā)生了恢復(fù)，并在界面處出現(xiàn)意外的手性變化。界面區(qū)域的高效離子輸運(yùn)對(duì)于許多技術(shù)的性能至關(guān)重要，涵蓋了從電化學(xué)能量存儲(chǔ)到類神經(jīng)計(jì)算等廣泛應(yīng)用。值得注意的是，當(dāng)操作過程中界面發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，相關(guān)的性能可能會(huì)發(fā)生突變。這表明，這些材料的界面主導(dǎo)性能依賴于穩(wěn)定和亞穩(wěn)界面結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)變。
 

　　高速發(fā)展的現(xiàn)代表征儀器在科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)中發(fā)揮著決定性作用。將人工智能技術(shù)整合至原位原子分辨率透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)中，展現(xiàn)出卓越的研究潛力。這一整合不僅為界面動(dòng)力學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)材料科學(xué)問題提供了新的探索視角，也為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模擬之間的協(xié)同分析開辟了創(chuàng)新路徑。通過結(jié)合原位原子級(jí)STEM成像技術(shù)與基于深度學(xué)習(xí)的圖像增強(qiáng)方法，能夠精確追蹤材料中的單個(gè)原子或原子列，并顯著提升成像的分辨率和信噪比。這些先進(jìn)的技術(shù)手段為進(jìn)一步的原位研究奠定了新平臺(tái)，有助于推動(dòng)對(duì)界面動(dòng)力學(xué)的深入理解與研究。