[发明专利]检测纳米材料的长周期图案种类的方法

说明书

本发明提供一种检测纳米材料的长周期图案(LPP)种类的方法，包括如下步骤：(1)将纳米材料制作成扫描透射电子显微镜样品，放在带球差校正的扫描透射电子显微镜中；(2)找到LPP区域，带球差校正的扫描透射电子显微镜调至正常的成像模式，在一个欠焦量下获得HAADF像；(3)通过多次改变带球差校正的扫描透射电子显微镜的欠焦量，获得一系列欠焦量不同的像；(4)分析系列欠焦像，比较每一帧结构的变化。本发明解决了用常规方法难以判断纳米材料的LPP种类的问题，为下一步电学、力学和光学等物理性质以及化学性质的研究打好前提。另外，本发明采用的断层成像法在原位、快速、无损表征材料或器件结构方面有独到的优势。

技术领域

本发明属于纳米材料表征领域。具体地，本发明涉及检测纳米材料的长周期图案种类的方法。

背景技术

在晶体学领域中，长周期图案(long-period pattern,LPP)指的是一种视觉上有周期性结构特征的图案，其周期性比该材料原始晶格常数更大。长周期图案一直以来备受研究者们的关注，因为它们往往蕴含着对新的物理机制的理解或者某些特殊的结构效应。LPP按维度可分为一维的条纹型LPP，以及二维的(2D)点阵型LPP。其中，产生2D LPP的原因大体可分为两类：晶格调制结构(modulated crystal structure)图案以及莫尔图案(moirépattern)。晶格调制结构指的是在晶格中，由于原子重新排布而产生的新的有序结构，其晶胞大于原始晶胞。这类调制结构又可分为位移型调制和组分型调制两种。位移型调制即原子偏离原始位点，偏移量发生了有序排布，比如各种超导材料中的电荷密度波(CDW)相变，铁电材料中自发极化产生的涡旋畴，层状材料MoS₂锂化后产生的调制结构等等。组分型调制即原素的密度或成分变化而产生的有序分布，例如在(Nd_2/3-xLi3_x)TiO₃材料中由于自发相分离产生的棋盘型超结构，各种合金中的掺杂原子有序结构，氧化物材料如CeO₂中的氧空位序等等。晶格调制结构往往能揭示一些物理和化学机理，因而受到研究者们的青睐。与此不同，第二类2D LPP是莫尔图案，它只是一种视觉上的长周期现象。莫尔图案的成因相对简单，只要两个或两个以上周期性格子发生非对齐堆叠，从垂直于堆叠面方向就会观察到莫尔图案。产生机理只需要用光学二次衍射效应就能解释。莫尔图案有很多用途，比如用来确定电镜方法的极限分辨率，放大难以观察到的位错，减小样品辐照损伤，判断堆叠材料的转角等等。而且最近，由于堆叠二维材料的兴起，莫尔图案再次进入大众视野。比如用两层石墨烯进行不同转角的堆叠，能产生丰富有趣的图案，而且能够调控双层石墨烯的能带结构，引发超导等奇异的物理现象。

晶格调制结构和莫尔图案的起源尽管完全不同，但它们还是经常难以区分。调制结构来源于晶体中原子产生的新有序结构，莫尔图案来源于两晶体之间的非对齐堆叠。当这两种可能都存在于同一个样品上时，就无法通过成因来判断是哪种LPP。例如，在Cu₂Se纳米片材料中，就同时存在两种可能成因。立方相Cu₂Se中的Cu原子容易在Se原子构成的FCC骨架中发生移动，形成多种Cu阳离子有序结构。同时，纳米片有可能发生堆叠，形成多层结构，若堆叠的晶格没有完全对齐，就会形成莫尔图案。莫尔图案按堆叠方式可分为，两晶体取向有相对转角的转角莫尔图案，两晶体晶格常数不同产生的晶格失配型莫尔图案，以及转角和晶格失配同时存在的混合型莫尔图案。在传统透射电子显微镜(CTEM)中，调制结构图案和莫尔图案的选区电子衍射(SAED)和高分辨透射电镜像(HRTEM)很多情况下是相似的，它们只包含在x-y平面内的投影信息，丢失了样品在z方向上的结构信息。而调制结构图案和莫尔图案两者最大的差别并不在x-y平面内，恰恰是在z方向上。比如最简单的情况，双层堆叠结构的莫尔图案区域必然含有两个非对齐的晶体，所以在堆叠结构的某个深度必然存在它们的界面。而调制结构不存在这种由于两个晶体不对齐产生的界面。因此，可以从z方向上是否存在两个不同的晶体或者是否存在一个结构分界来区分它们。