原子尺度

摘要： 董超芳,北京科技大学新材料技术研究院副院长。董超芳教授以解决国家重大需求中材料腐蚀与防护基础科学问题为目标,提出腐蚀集成计算方法及应用思路,在腐蚀跨尺度建模与计算、界面微区腐蚀机理与高效评价、耐蚀材料理性设计与性能调控方面开展了较为深入的研究,取得创造性成果:(1)构建了金属腐蚀集成计算体系架构,发展以晶界结合能、微观扩散系数和电子结构为传递参数或判据的跨尺度模拟方法,阐明了点缺陷模型的原子尺度动力学机制,实现了亚稳态点蚀到断裂失效的模拟。

摘要： 上海交通大学、北京大学和中国科学院大连化学物理研究所的联合研究团队通过水热合成、光化学还原两个步骤得到1种二维二氧化钛(2DT)纳米片担载的单原子Pd催化剂,其具有较好的光催化甲烷制甲醇性能。相关研究成果发表于《美国化学会催化》杂志。甲烷高效转化为甲醇等高附加值化学品,对C 1催化和环境可持续发展具有重要意义。由于原子层厚度二维半导体催化剂和原子尺度金属助催化剂能够最大化暴露催化活性位点,且具有独特的电子结构,因此该类催化剂比传统块状催化剂具有更好的应用前景。

摘要： 东南大学孙立涛教授团队及合作者在可视化原子尺度制造原理及工艺方面取得进展。相关研究成果以Solid-liquid-gas reaction accelerated by gas molecule tunneling-like effect为题,于2022年5月26日发表在《自然·材料》(Nature Materials)期刊上。湿法刻蚀广泛应用于半导体制造等重要领域,但湿法刻蚀方向选择性有限,很难得到尺寸精确可控的微纳结构。而当前7 nm、5 nm等先进晶体管器件对于内部金属、半导体和介电层等结构的几何尺寸具有亚纳米级的严苛精度要求。

摘要： 近几年来,单原子材料的研究呈现爆发式增长,已然成为材料科学和催化领域的明星材料和研究热点。然而,单原子材料作为拥有最大化原子利用率和超高本征活性的负载型催化材料,由于载体结构的复杂性,精确表征活性位点的配位结构、空间构型以及电子态分布等精细结构仍然是一项挑战。在原子尺度上对活性位点进行识别将为揭示各种电催化活性位点的结构-活性/选择性关系和机理奠定基础。

摘要： 材料科学日新月异,把握尖端,才能迎头赶上。暨南大学先进耐磨蚀及功能材料研究院副教授Florian Vogel表示,他的目标是在暨南大学建立以原子探针层析技术(APT,又名三维原子探针)为核心的全套分析显微技术设备,困难虽大,但这种开启了学科未来的尖端技术,确实能使新材料的发现与应用倍道而进。

摘要： 非共格孪晶界(incoherent twin boundary,ITB)是金属中一种重要的晶界结构,其原子层次结构对金属的力学性能有显著影响。之前虽有一些关于ITB的结构演化及动态行为研究报道,但ITB与全位错相互反应导致ITB结构变化的原位研究还很少见,相关的原子层次机制仍然不清楚。本文以具有高密度生长孪晶的Pt薄膜为研究对象,利用高角环形暗场像揭示了Pt薄膜中ITB的原子结构。在原子层次原位观察到了全位错向ITB运动靠近,然后被ITB吸收的过程。原子尺度的位移分布测量表明全位错向ITB靠近的过程中就会引起ITB结构的变化。分子动力学模拟以及能量计算结果揭示出全位错容易被ITB吸引,然后形成了新的ITB结构而降低系统能量,这一结果很好地解释了这种新ITB结构在生长的薄膜中经常被观察到的原因。

摘要： 20世纪30年代,是朗道首先引入了“序参量(order parameter)”一词[1],用它来描述一个物质体系的“对称性”和“有序度”。物质的某一自由度在相变点附近发生广义上的有序-无序转变,此自由度被称为序参量。当我们着眼于原子尺度时,唯象模型中所描述的各种序参量可以看作是与原子结构中多个自由度相关的特征参量,这些自由度包括点阵(lattice)、电荷(charge)、自旋(spin)、轨道(orbital)以及拓扑性质(topology)等。2017年Tokura将同时具有多种序参量并且相互之间有很强交互作用的材料统称为“量子材料”(quantum material)[2]。

摘要： 与传统块体金属材料相比,纳米金属材料具有更加优异的物理、化学性能,有着广泛的应用前景。然而,金属纳米材料在服役过程中易氧化,从而严重影响纳米器件的性能,加速器件老化,造成不可挽回的损失。理清金属材料氧化微观过程,提高材料的抗氧化能力是国家重大工程中的重大问题,也是科学家和研究人员研究的重点。过去传统的氧化机制研究大多局限于微米尺度多层氧化膜的形成机制、形成序列、形成原因等因素,缺少对金属材料原位原子尺度动态氧化机制的研究。因此,研究金属纳米材料纳米尺度下的氧化过程,建立一个清晰的原子尺度氧化体系对提高材料抗氧化能力以及设计抗氧化材料的设计和优化具有重要意义。先进原位技术的出现使研究者能够从原子尺度揭示纳米金属的氧化机制,从物理本质解析氧化过程,从而解决困扰人类的基础物理问题。本文首先论述了金属氧化的反应机理,然后对不同金属纳米材料的原位氧化研究进展进行系统的总结与分析,最后,对原位氧化技术未来的应用及需要解决的问题进行了简要的展望。

摘要： [本刊讯]美国普渡大学的研究人员通过使用光子和电子自旋量子位来控制二维(2D)材料中的核自旋,实现了在2D材料中写入和读取带有核自旋的量子信息。他们用电子自旋量子位作为原子尺度的传感器,首次在超薄六方氮化硼中实现对核自旋量子位的实验控制。该研究工作拓展了量子科学和技术的前沿,使原子尺度的核磁共振光谱等应用成为可能。研究人员表示,这是第一个展示2D材料中核自旋的光学初始化和相干控制的成果。相关工作发表在2022年8月15日的《自然·材料》上。

摘要： 实验表明宏观尺度建立的开尔文方程经适当改造后依然可描述原子尺度水的毛细凝聚现象.

摘要： 在不同的生长条件下(如超高真空(UHV)或常压化学气相沉积(CVD)),和不同的金属基底形态上(单晶或多晶),石墨烯的厚度、堆垛形式和生长机制都会表现出很大的差异.扫描隧道显微镜(STM)是真正能在原位无损的情况下,在原子尺度揭示这种差异的一种研究手段.然而,截至目前,特别是对于多晶基底上的石墨烯,由于基底的较大表面起伏不利于STM的扫描,相关的研究报道还比较匮乏.利用STM,作者研究了多种金属衬底(Cu,Pt,Rh等)上石墨烯的生长行为和微观结构.同时结合传统的材料表征手段，澄清了它们的表面催化和偏析生长的机理。观察发现了偏析生长获得的双层和多层石墨烯在STM图像中出现不同周期的莫尔条纹，利用STM/STS观察到范霍夫奇点(VHS)随层间扭转角度(不同摩尔周期)的线性变化关系。因此，制备有层间扭转角度的双层石墨烯是一种改变费米能级附近电子结构的有效方法。此外，作者也发现，石墨烯的结构类似物六方氮化硼(带隙5.9 eV)，可与石墨烯在面内实现良好的拼接从而形成单原子层的面内杂化结构，这类杂化结构的形成也是一种调控石墨烯能带结构的良好途径。与最近报道的多晶基底上的石墨烯-氮化硼的杂化结构不同，作者在单晶Rh(111)基底上制备出这种单原子层的杂化材料，澄清了一些在已有材料上不能揭示清楚的实验现象，比如石墨烯和氮化硼能无缺陷拼接，石墨烯和氮化硼连接边缘类型(zigzagor armchair)，以及连接边缘的局域电子结构等。

摘要： 本文为了研究原子尺度下摩擦力波动现象产生的本质,利用分子动力学模拟的方法从摩擦力波动周期的角度对其进行探讨.模拟过程中分别讨论了固液作用强度、速度以及壁面晶格长度对其波动周期的影响.结果发现其波动周期仅与速度和壁面晶格长度有关,并成特定的函数关系,这与理论模型的预测结果具有很好的吻合.

摘要： 采用替位掺杂的方法,使用激光分子束外延技术,成功地制备出钛酸锶、钛酸钡、钛酸锶/钛酸钡、YBCO/钛酸锶和钛酸锶/锰酸镧等全氧化物p-n结.X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、高分辨透射电镜(HRTEM)等测量分析结果均表明,p-n结构的表面与界面均达到原子尺度的光滑,p-n结的I-V曲线显示了很好的整流特性.首次观测到全氧化物p-n结电流和电压的磁调制特性与正的巨磁电阻效应,在290K和255K条件下,外磁场变化5398-A/m时,磁电阻的最大灵敏度分别达到85Ω/79.6A·m和246Ω/79.6A·m;在一个多层p-n结构上,磁电阻的变化率ΔR/R达到517﹪.

摘要： 使用经典分子动力学模拟的方法研究了金(111)面自组装膜的摩擦过程.计算结果表明摩擦力对应于表面的公度几何结构和分子的不连续运动而周期变化.膜分子间相互作用,以及膜间作用和膜-基体作用的竞争,使膜分子在剪切下以复杂有序的粘滑和跳跃的方式运动,扩展限一般Tomlinson模型所描述的"拉扯"机理.观察到摩擦力对法向载荷的线性关系,对滑动速度近似于对数的依赖关系等.摩擦力的速度依赖性同原子尺度上的粘滑以及摩擦耗散过程直接相关.在给定切向推力的模拟中观察到自组装膜的静摩擦现象.

摘要： Fe3O4磁性纳米颗粒在磁流体、磁记录、生物免疫检测、医学靶向药物、化学催化等许多方面有着广泛的应用.然而,关于纳米药物或者药物与癌细胞相互作用的物理及生物机制的认识非常有限.在本文中,作者制备了Fe3O4-CMC-5FU磁性纳米药物,并利用TEM对纳米药物作用于胃癌细胞的部位进行直接观测,首次发现了线粒体死亡引起的新的纳米药物抗癌作用机理.在“纳米药物”在胃癌细胞中的作用部位的HAADF-STEM图中可以看出，细胞中的纳米药物只存在于细胞质中，很多都聚集在线粒体附近。更大放大倍数的观察发现线粒体已经破坏、死亡，出现多层皱状形态结合大量的形貌观察、元素分布等研究，还原、绘制出了作者制备的纳米药物与胃癌细胞作用的生物物理机制三维立体图研究也发现纳米药物主要通过细胞吞噬作用进入胃癌细胞并与胃癌细胞中的酶结合作用于线粒体，进行药物释放导致线粒体破坏从而导致细胞凋亡。

摘要： 拓扑绝缘体是一种表面导电、体绝缘的新兴量子物质态.独特的物理性质使其在低损耗器件、量子计算机及奇特物理粒子的探寻上有着广泛的应用前景.目前制备的拓扑绝缘体材料由于缺陷的存在使得体态非绝缘,从而掩盖了材料的表面态.如何有效地调控体载流子浓度、能带结构是制约拓扑绝缘体发展的关键性问题.本文结合了一种制备具有特定取向的TEM样品的方法和先进的ChemiSTEM技术，首次在原子级别上报道了(Bi,Sb)2(Te,Se)3辉碲铋矿族化合物的微观结构和缺陷，揭示了Bi2TexSe3-x(x=0-3)“三元”体系的层间化学成分的演变，证明中间层取代原则仅适用于Bi2Te2Se，而不适用于Bi2TeSe2。此外，作者发现拓扑绝缘体材料Bi2Te3中一种长期被忽略的7层缺陷结构并直观证明了其堆垛顺序为Te-Bi-Te-Bi-Te-Bi-Te。第一性原理的计算揭示了三元体系的演变机制;发现7层结构缺陷本身是电子导电，但对于Bi2Te3薄膜材料则起到了受主缺陷的作用。该工作对有效调控(Bi,Sb)1(Te,Se)3辉碲铋矿族化合物的体载流子浓度有着极大的指导意义，为该体系材料在拓扑绝缘体的应用起到了积极的推进作用。

摘要： 纳米蜂窝材料具有很高的比表面积,在微/纳电子机械系统、传感器、催化、自组装等领域具有广阔的应用前景.近来不断有实验表明纳米多孔材料的力学行为不仅与孔隙率相关更与孔隙的特征尺寸相关.本文以周期性正六边形Au纳米蜂窝材料为研究对象,采用分子动力学(MD)模拟的方法,研究了不同相对密度和不同蜂窝孔隙尺寸对纳米蜂窝材料宏观力学性能的影响规律,并与有限元(FEM)计算结果进行了比较.此外,通过对纳米蜂窝材料的大应变加载模拟,得到了该材料在不同载荷作用下的变形规律,从原子尺度对材料的变形机制进行了分析.

摘要： 为研究界面原子尺度结构对界面迁移性和界面成分的影响，本文基于微观相场模型模拟了Ni75Al7.5V17.5合金沉淀过程，并研究了沉淀过程中形成的两种DO22间同相界面和两种DO22与L12间异相界面的迁移特征和成分演化规律。研究表明界面的迁移性与界面结构有关，在被研究的四种界面中，(001)D//(002)L和(002)D∥(100)D·[100]D始终不发生迁移，(100)D//(200)L和{102}D·[001]D可以迁移；界面迁移过程中原子跃迁具有位置选择性，原子跃迁和替换模式是动力学和热力学上诱导界面迁移的最优化路径；溶质原子的偏聚和贫化倾向及程度与界面的原子结构有关系，Ni在界面(100)D//(200)L两侧均偏聚，而在界面(001)D//(002)L处，Ni在界面的DO22相一侧偏聚，在L12相一侧贫化， Al在界面{102}D·[001]D处偏聚，在界面(002)D∥ (100)D·[100]D处贫化；溶质截流效应会使得溶质原子的偏聚和贫化倾向不随界面位置的改变而改变，但随着界面迁移的进行，界面处溶质原子的偏聚和贫化程度降低，界面明锐化。

摘要： 研究CuN(N=57,58,59)熔融铜团簇在冷却过程以及300 K时两个具有二十面体结构Cu55团簇在并合过程中的结构变化。对这些小尺寸团簇的结构变化采用基于嵌入原子方法的正则系综分子动力学进行计算机模拟。通过对模拟结果的分析表明,小团簇的冷却和并合过程存在阶段变化的特点。降温过程中CuN(N=57,58,59)团簇的原子运动及其微观结构变化表现出较大差异,由此导致这三类团簇内原子排布的不同,其中Cu59团簇结构的有序程度最低。在两个Cu55团簇并合早期阶段,这两个团簇相接触后发生变形导致原子位置出现较大改变,在随后的并合过程中,原子扩散引起原子局部位置调整导致所并合体系的结构发生变化。远离两个团簇接触区的原子仍保持其并合前的结构。

摘要： 不同热力学特征的合金系统表现出不同的界面行为。生成热为负的系统即混溶系统,其金属界面表现出自发非晶化行为。因此,可采用金属-金属多层膜的等温退火方法来制备非晶态合金薄膜.而生成热为正的系统即不混溶系统,其金属界面表现出相对的界面稳定性,例如Cu/Ta界面。据此,Ta金属被用作大规模集成电路中阻挡Cu与Si/SiO2之间相互作用的扩散阻挡层。但由于制备过程中形成的不完整界面结构,也会导致不混溶系统的界面反应而导致非晶化。本文采用宏观的热力学计算和原子层次的分子动力学模拟,研究混溶和不混溶合金系统中不同的界面反应行为,并揭示其反应机制。

摘要： 一种原子尺度应变计算方法和一种原子尺度应变计算装置，所述原子尺度应变计算方法包括：提供分析对象的电镜照片；定位待分析区域内各原子位置；根据晶体结构特征，将原子划分为不同的特征层；对不同特征层内原子分别进行应变计算。所述原子尺度应变计算方法能够适用于各种晶格结构，提高应变计算的准确性。

摘要： 本发明公开了一种原子尺度精度调控硒化锗单晶原子层厚度的方法，即金表面辅助剥离少层或单层GeSe，然后金表面诱导少层GeSe退化调控层数的方法。这种方法的特点是：1.通过金薄膜辅助获得大面积的少层或者单层GeSe薄片，依托于现有的GeSe单晶制备或CVT法GeSe薄膜制备，其产率接近于GeSe制备工艺水平；2.通过控制退化时间来精确调控需要的GeSe层数，对剩下的少层或单层GeSe无结构性破坏；3.调控获得的GeSe样品同样可通过刻蚀衬底然后转移，实现进一步的器件应用。通过这种方法可以精确获得所需的GeSe原子层厚度，克服了传统减薄方法的随机性和原子层厚度不均匀性，方便后续的器件应用。

摘要： 本发明公开了一种基于硼氮原子链的负微分电阻纳米器件，由左电极、右电极及左电极和右电极之间的硼氮原子链构成，其中左电极和右电极分别为锯齿型硼氮石墨烯纳米条带，硼氮原子链根据硼原子和氮原子个数不同分为以下三类BnNn+1、BnNn‑1和BnNn，硼氮原子链中硼原子与氮原子交替连接并且该硼氮原子链的两端分别连接左电极和右电极。本发明通过调控硼氮原子链中硼氮原子个数来实现不同的电子输运性质，得到不同的负微分电阻行为，可作为负微分电阻原子尺度纳米器件的候选材料。

摘要： 一种原子尺度应变计算方法和一种原子尺度应变计算装置，所述原子尺度应变计算方法包括：提供分析对象的电镜照片；定位待分析区域内各原子位置；根据晶体结构特征，将原子划分为不同的特征层；对不同特征层内原子分别进行应变计算。所述原子尺度应变计算方法能够适用于各种晶格结构，提高应变计算的准确性。

摘要： 本发明公开了一种面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造方法。本发明的一种制造方法，顺序包括电子束光刻、原子层沉积、电铸、模具脱模、金属薄膜腐蚀、纳米压印、聚合物功能器件的脱模步骤；本发明的另一种制造方法，顺序包括光刻、原子层沉积、选择性刻蚀、除胶、硅刻蚀、侧墙刻蚀、原子层沉积、电铸、模具脱模、腐蚀、纳米压印、聚合物功能器件的脱模步骤。本发明结合电子束光刻对纳米级结构的极限加工能力、原子层沉积技术的原子级厚度可控沉积与电铸技术原子顺序电沉积的优势，通过多种微纳制造技术的叠加，突破现存半导体加工技术的极限，在纳米结构的基础上实现更小尺度结构的精准制造，也就是面向原子及近原子尺度功能结构器件的制造。

摘要： 本发明公开了一种原子尺度精度调控硒化锗单晶原子层厚度的方法，即金表面辅助剥离少层或单层GeSe，然后金表面诱导少层GeSe退化调控层数的方法。这种方法的特点是：1.通过金薄膜辅助获得大面积的少层或者单层GeSe薄片，依托于现有的GeSe单晶制备或CVT法GeSe薄膜制备，其产率接近于GeSe制备工艺水平；2.通过控制退化时间来精确调控需要的GeSe层数，对剩下的少层或单层GeSe无结构性破坏；3.调控获得的GeSe样品同样可通过刻蚀衬底然后转移，实现进一步的器件应用。通过这种方法可以精确获得所需的GeSe原子层厚度，克服了传统减薄方法的随机性和原子层厚度不均匀性，方便后续的器件应用。

摘要： 本发明公开了一种基于硼氮原子链的负微分电阻纳米器件，由左电极、右电极及左电极和右电极之间的硼氮原子链构成，其中左电极和右电极分别为锯齿型硼氮石墨烯纳米条带，硼氮原子链根据硼原子和氮原子个数不同分为以下三类BnNn+1、BnNn-1和BnNn，硼氮原子链中硼原子与氮原子交替连接并且该硼氮原子链的两端分别连接左电极和右电极。本发明通过调控硼氮原子链中硼氮原子个数来实现不同的电子输运性质，得到不同的负微分电阻行为，可作为负微分电阻原子尺度纳米器件的候选材料。

摘要： 本发明提供了一种燃料电池金属催化剂原子尺度耐久性在线检测系统及方法，涉及燃料电池技术领域，所述在线检测系统包括相互连接的电化学检测装置和电感耦合等离子质谱检测装置，所述电化学检测装置包括固态旋转圆盘电极和电化学检测设备，所述固态旋转圆盘电极包括固定探针、探针座和旋转圆盘电极，所述固定探针的一端设置于所述旋转圆盘电极的底部，所述固定探针的另一端穿过所述探针座后与所述电感耦合等离子质谱检测装置相连接，所述旋转圆盘电极的一端适于与待测金属催化剂接触，所述旋转圆盘电极的另一端穿过所述探针座后与所述电化学检测设备相连接。本发明检测周期短，且能够为催化剂使用工况和催化剂设计选型提供理论指导。

摘要： 本发明公开了一种原子尺度研究金属材料原位腐蚀行为的方法，包括以下步骤：一、将金属材料进行裁剪；二、将金属薄片进行打磨和取样；三、将金属圆片进行抛光；四、将待测试金属片进行TEM扫描；五、将腐蚀前金属片装入包套中；六、将腐蚀样品进行腐蚀实验；七、将腐蚀后金属片进行清洗，然后进行TEM扫描，得到腐蚀后金属片的TEM图像。本发明通过将待测试金属片进行TEM扫描，然后将腐蚀前金属片装入包套中，得到腐蚀样品，腐蚀前金属片与腐蚀介质直接接触，从而研究腐蚀介质中不同时期的原子尺度的腐蚀特征，实现了多种金属材料同时在腐蚀环境下的透射样品制备，揭示金属材料的腐蚀机理，为耐蚀材料的设计提供有力的基础数据支撑。

摘要： 本发明涉及透射电镜芯片技术领域，提供一种透射电镜原位原子尺度电热耦合芯片及其制备方法，所述透射电镜原位原子尺度电热耦合芯片包括基底、设置于基底上的薄膜承载层和设置于薄膜承载层上的功能层，功能层设有加热电阻、导热件和多个间隔设置的通电电极；加热电阻包括弧形部和两个延伸部，两个延伸部分别与弧形部的两端相连且相对于弧形部的对称中心线对称分布于弧形部的两侧；两个延伸部之间形成有第一通道和第二通道，第一通道与弧形部两端之间的开口连通，第二通道位于弧形部背离开口的一侧，通电电极部分位于弧形部围设的区域、开口和第一通道内，导热件部分位于第二通道内、部分延伸至加热电阻外侧。