洛桑联邦理工学院 STEM探针扫描两种镍酸盐化合物界面的示意图，散射电子的性质随着材料的电子相从金属变为绝缘而改变
形象信用:邓肯T
L
亚历山大
使用VESTA渲染的原子结构模型
学分:洛桑联邦理工学院(EPFL) 相变是物理科学中的一个核心现象
尽管听起来很专业，但它们实际上是我们在日常生活中都会经历的事情:冰融化成液态水，或者热水蒸发成蒸汽
固体、液体和气体是三种众所周知的“相”，当一种变成另一种时，这就是相变
稀土镍酸盐氧化物，也称为镍酸盐，已经引起了研究者的极大兴趣，因为它们显示出电子相变，这可能在未来的电子器件中得到利用
这种特殊的相变包括随着温度的下降从导电的金属状态转变为电绝缘状态
这种行为的背后是这些化合物的电子性质和它们的“晶格”结构之间的强烈相互作用——形成晶体的原子的有序排列
然而，要揭示镍酸盐中这种金属到绝缘体相变的真实性质，并能够为潜在的电子器件控制它，需要知道每个特征相是如何在相变过程中出现和演变的
现在，来自EPFL和日内瓦大学的科学家们已经结合了两种尖端技术来实现每个不同电子相位的纳米级绘图
这项研究发表在《纳米快报》杂志上，由Dr
EPFL基础科学学院的邓肯·亚历山大和日内瓦大学的让-马克·特里斯科尼教授团队
这项研究的第一作者，博士
伯纳特·蒙德说:“为了完全理解新型电子材料所展示的物理特性，并在设备中控制它们，需要新的原子尺度表征技术
在这方面，我们第一次能够精确地确定由两种镍酸盐化合物以接近原子分辨率制成的原子工程器件的金属和绝缘区域
我们相信，我们的方法将有助于更好地理解这个重要的电子材料家族的物理学
" 原子分辨率STEM图像显示镍酸盐薄膜的完美晶体结构，颜色代表两种化合物
荣誉:伯纳特·穆迪特 研究人员将像差校正扫描透射电子显微镜和单色电子能量损失光谱学结合起来
在STEM中，图像是通过扫描一束电子形成的，聚焦在一个大约1微米大小的点上，穿过一个足够薄的样本——在这种情况下是一块镍酸盐——并使用环形探测器收集透射和散射的电子。
尽管在技术上要求很高，这项技术允许研究人员精确地观察晶体的晶格结构，一排排原子
对于第二种技术，即EELS，那些穿过环形探测器中心孔的电子被收集起来
这些电子中的一些由于与镍酸盐晶体中的镍原子相互作用而损失了一些能量
通过测量这种能量差的变化，我们可以确定镍酸盐化合物的金属或绝缘状态
由于所有的电子都是同时被散射和收集的，研究人员能够将电子状态的变化与不同镍酸盐化合物中相关的晶格位置联系起来
这种方法让他们第一次绘制出金属或绝缘区域的空间结构，空间分辨率高达3左右
5 ng stroms(0
35纳米)
该技术将成为研究和指导这些新型电子材料的原子工程的有价值的工具
邓肯·亚历山大说:“最新的电子显微镜给了我们以原子或纳米空间分辨率测量各种材料物理性质的惊人能力。”
“在这里，通过将EPFL泰坦Themis显微镜的能力推向极限，我们在这个领域迈出了令人兴奋的一步，证明我们可以测量由两种不同镍盐精确制成的薄膜结构中电子状态的变化
我们的方法为研究这些镍酸盐化合物的物理开辟了新的途径，引发了全世界的研究兴趣
" 让-马克·特里斯科尼补充道:“惊人的人造材料显示出金属到绝缘体的转变，加上非常先进的电子显微镜技术，使得对它们的电子特性进行深入细致的研究成为可能。”
“特别是，它揭示了，在原子尺度上，材料是导电的还是绝缘的——这是一个重要的问题，有助于更好地理解这些材料，它们可能被用于未来的计算方法
"
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