【儀表網 研發快訊】原子級制造是國家重點布局的未來產業方向之一，原子尺度結構轉變的精準操控與實時觀測屬于原子級制造領域的基礎科學問題。近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家實驗室聯合松山湖材料實驗室研究團隊，在該領域取得重要突破。以透射電子顯微學方法為主，他們利用掃描透射高能電子束，不僅實時捕捉到KTaO?晶體中Ta原子的動態運動，更成功誘導其結構精準轉變為鎢青銅K?Ta??.?O??，揭示了轉變的關鍵調控參數。成果以“In-Situ Observation of Atom Motion and Manipulation of Structural Transformation”為題發表于《Advanced Materials》雜志，為原子尺度“造得準”與“看得清”奠定了重要科學基礎。
他們通過精確調控電子束劑量與位移，利用“knock-on”效應選擇性“踢出”KTaO?中的鉀、氧原子形成空位，進而驅動較重的鉭原子遷移。這種協同原子運動最終促使材料從鈣鈦礦結構KTaO?轉變為四方鎢青銅結構K?Ta??.?O??。新結構在常溫環境下穩定存在，顯示出該方法在原子加工方面的廣闊前景。結合低劑量相位襯度成像與密度泛函理論計算，研究團隊清晰揭示了原子遷移路徑，闡明了其內在驅動機制。
該研究不僅揭示了電子束誘導原子運動與結構轉變的原子機制，更開辟了一條利用電子束在原子尺度進行精準“雕刻”的技術路徑，為未來新型功能氧化物電子器件的原子層級制造提供了重要的理論依據與關鍵技術支撐。
本研究的第一作者為中國科學院金屬研究所材料顯微科學研究部博士生石彤彤和李宇澍，通訊作者為唐云龍研究員、馬秀良研究員和朱銀蓮研究員。研究獲得了金屬所創新基金、國家自然科學基金、國家重點研發計劃、遼寧省自然科學基金等項目的支持。
圖1. (a) KTaO?結構示意圖 (b) STEM模式下電子束輻照示意圖 (c-l) 電子束輻照下原子運動與結構轉變
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