南开新闻网讯（通讯员 程丹）近日，南开大学物理科学学院付学文教授团队在新一代热场发射枪的超快透射电子显微镜研制与低维铁电材料相变动力学研究领域取得系列重要进展。团队成功研制出了国际领先的新一代基于热场发射枪的分析型超快透射电子显微镜系统，并初步将其应用于二维铁电材料In₂Se₃光致多级物相调控研究。研究成果分别以“Development of a femtosecond analytical electron microscopy based on a Schottky field emission transmission electron microscope”和“Femtosecond laser manipulation of multistage phase switching in two-dimensional In₂Se₃ visualized via an in situ transmission electron microscope”为题发表在科学仪器类和材料类国际权威学术期刊Review of Scientific Instruments和ACS Nano。

基于热场发射枪的分析型超快透射电子显微镜的研制

　　在高端科学仪器研制方面，研究团队基于赛默飞200kV热场发射透射电镜（Talos200i），通过设计、改造和搭建，成功开发出了新一代基于热场发射枪的超快透射电子显微镜系统。这也是国际上首套基于赛默飞200kV热场发射透射电镜机台开发的超快透射电子显微镜系统。该系统在保持常规场发射连续模式下原子成像分辨率、0.4 eV能量分辨率等优异性能的同时，在飞秒脉冲光电子超快模式下实现了优于200 fs时间分辨率、0.7 eV能量色散、1.6 μm横向相干长度以及1.4 nm实空间分辨率等国际一流的技术性能指标，为微纳及晶格尺度物质超快动力学科学研究提供了关键平台支撑。该设备具备多模态的超高时空探测能力，兼具飞秒时间分辨的超快电子衍射、超快电子明场/暗场成像、超快电子能量损失谱、超快光学近场成像（PINEM）、超快4D-STEM等多种超快探测技术，可广泛应用于物理学、化学、材料科学、纳米光子学、生命科学等多学科及交叉学科的物质超快动力学研究。

图1. 自主研制的超快透射电子显微镜系统的结构设计示意图和实物照片。超快模式下该系统的时间分辨率优于200 fs，空间分辨率优于1.4 nm，电子能量损失谱分辨率优于0.7 eV，光发射效率在10 h内衰减率小于5%。

飞秒激光精准调控二维铁电材料多级相变的原位观测

　　在基础研究应用方面，团队将自主研发的先进超快透射电镜系统与飞秒激光调控技术相结合，利用飞秒激光首次实现了对二维铁电材料In₂Se₃四态相变的原位超快精准调控和观测。研究发现，在室温条件下，通过飞秒激光可高效实现铁电α相向反铁电β'相或顺电β相的转变，以及反铁电β'相与顺电β相的可逆快速切换；在液氮温区，飞秒激光作用下铁电α'相与反铁电β'相或顺电β相之间同样展现出可逆超快转变特性。更为重要的是，原位暗场像和电学同步测量发现，飞秒激光诱导的这些多级相变过程伴随畴结构和超晶格的快速形成与湮灭，导致材料电导率发生显著突变。第一性原理计算进一步验证了实验观测的多相转变路径，阐明了电子能带结构重构主导的电导率变化机制。该研究为开发基于多态相变的新型存储器件提供了关键理论基础。

图2. 飞秒激光诱导的In₂Se₃多级相变路径

　　南开大学为以上研究工作的第一完成单位。物理科学学院博士后纪少政博士是该先进仪器研制工作的第一作者，付学文教授为唯一通讯作者。物理科学学院博士郭俊青及博士后张丽芙博士、张美玲博士为In₂Se₃物相调控工作的共同第一作者，付学文教授及南昌大学周杨波教授为共同通讯作者。相关研究获得国家重点研发计划（2020YFA0309300、2023YFB3307701和2023YFA1507000）、国家自然科学基金重大科研仪器项目和面上/青年基金（12127803、12204250、62264010和62474083）、以及南开大学双一流学科建设等项目经费的资助。

　　文章链接：

　　仪器研制文章：https://doi.org/10.1063/5.0226913 

　　相变调控文章：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c00538 

编辑：闫瑾