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日前，北京理工大学医学时期学院邵瑞文课题组和研究机学院付莹教讲课题组、香港城市大学董立新教讲课题组兼并，诈欺基于深度学习的图像处理时期与球差透射电子显微镜-原位系统相集会，发展东说念主工智能电子显微镜（AI-TEM）时期，冲破传统离子迁徙施行不雅测范例的空间分辨率极限，把电镜动态分辨率从纳米圭臬升迁到原子圭臬，兑现界面离子迁徙及微不雅结构演变的原子级动态不雅测。干系遵循以“Deep learning enhanced in-situ atomic imaging of ion migration at crystalline-amorphous interfaces”为题发表在《Nano Letters》上。该责任得到了国度当然科学基金委和国度重心研发操办的狂妄救济。北京理工大学物理学院博士生董伟康、清华大学电子显微镜施行室博士后王祎驰、北京大学物理学院博士杨晨为该论文的共同第一作家，北京理工大学医学时期学院邵瑞文副老师、研究机学院付莹老师和香港城市大学董立新老师为论文共同通信作家。另外，北京理工大学物理学院李家方老师也对此责任作念出了孝顺。

当代电子显微镜经常能达到原子级的分辨率，并有时以皮米的精度不雅察原子的复杂罗列，关于材料科学、纳米时期和固体物理等规模的商量至关迫切。但是原子级扫描透射成像（STEM）成像速率慢，提高成像速率导致信噪比和成像质地急剧镌汰，不符合进行高空间/时间分辨动态不雅察，因此原位动态的高空间/时间分辨表征途序仍然是规模内要紧基础科学和时期珍惜。举例，离子迁徙当作一种枢纽性的微不雅经由，在类脑研究、能源存储、生物传感器以及生物电子学等多个应用规模中得到平日应用。这些器件中的晶体材料在责任条款下资格多个离子迁徙轮回，极易酿成颓势甚而非晶相。但是，由于界面处的非均衡性和袒护特质，平直以原子精度探伤界面上的离子迁徙仍然是一个尚未管束的珍惜。

团队在前期责任中联想构建了一套基于扫描电镜/透射电镜（SEM/TEM）的多场多功能微纳操作系统，集会机器东说念主操作用探针和高分辨率成像电子显微镜，兑现了纳不雅结构在三维解放空间内的及时操作和动态物性表征，发表于机器东说念主与自动化规模顶刊《IEEE Robotics and Automation Letters》。此外，课题组通过微纳操作系统构筑复杂微纳器件结构，承袭原位透射电镜与研究机扶助图像处理，集会表面模拟，系统地比拟商量了二维材料在离子迁徙经由中的反馈机理，发表在材料规模外洋顶级期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》。在本责任中，团队诈欺原位微纳操作系统、球差改良电镜、以及自主建造的基于深度学习的STEM图像增强器AtomEnhancer，兑现了晶界离子迁徙的原子端倪动态不雅察。通过平直的原子圭臬不雅察，揭示了硒化锑（Sb2Se3）在晶体-非晶界面处钾离子迁徙和微不雅结构演化的原子能源学。

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图1. 双倾原子分辨测试系统与自主建造软件AtomEnhancer用于STEM图像增强。a，双倾原位系统装配暗示图。b，具有纳米机械手和β倾转功能的双倾杆模子，用于精准的带轴调控。c，原位电学操控模子图。d，AtomEnhancer范例用于STEM图像增强。

图2. 外加电场驱动下Sb2Se3上的钾离子占据景象。a−c，[010]观点的TEM图像，差异披露3.0、5.0和10.0 s时的钾化经由。d，c中放大的TEM图像。e，从K插入到晶体−非晶滚动的反馈旅途的DFT研究。f）原始和钾插入的STEM图像。g，对应于f的AtomEnhancer增强图像。h，钾离子占有位置统计。

图3. Sb2Se3中钾离子迁徙的位置。a−c，Sb2Se3沿界面的STEM图像。d−f，差异对应于a−c的AtomEnhancer增强图像。g−i，差异对应于d−f的Se−K−Se线抽象。l，研究出的Sb2Se3中K+离子位置⑤。m，差异在有应力和无应力时不同钾离子位置的相对能量。

图4. 钾离子插层后的晶格弛豫经由。a，运转 Sb2Se3 原子结构。b，诈欺 AtomEnhancer处理的图像。c，钾离子插层前以及插层 10 分钟和 12 小时Sb 和 Se 原子的晶格图案平均原子位置。d，插层 10 分钟后的原子结构。e，诈欺 AtomEnhancer 处理的图像。f，应变分散图披露插层 10 分钟后应变约为 −10%。g，插层 12 小时后的原子结构。h，诈欺 AtomEnhancer 处理的图像。 i，应变分散图披露插层12小时后晶格内的里面应变接近于零。

图5. 界面处的重结晶经由。a，结晶-非晶界面的原子圭臬图像，其中黄色虚线区域披露称为“平行”结构的重结晶结构。b，a 中矩形区域的扫视原子结构。c，使用 AtomEnhancer 获取的 a 的增强图像。d，c 中矩形区域的放大图像。e，手性回转经由的原子模子。

本文的独到施行联想使咱们有时平直不雅察原子级的离子迁徙经由，揭示了此前未始报说念的机制。商量限度标明，界面处存在罕见的活性位点，这些位点有助于更多钾离子和电子的容纳。咱们还不雅察到了一种新式的亚稳态，其特征是晶格体积减少10%，随后在钾离子索要后发生了收复，并在界面处出现无意的手性变化。界面区域的高效离子输运关于好多时期的性能至关迫切，涵盖了从电化学能量存储到类神经研究等平日应用。值得注重的是，当操作经由中界面发生结构调度时，干系的性能可能会发生突变。这标明，这些材料的界面主导性能依赖于踏实和亚稳界面结构过甚调度。

高速发展的当代表征仪器在科学、经济和社会中推崇着决定性作用。将东说念主工智能时期整合至原位原子分辨率透射电子显微镜施行中，展现出超卓的商量后劲。这一整合不仅为界面能源学干系的基础材料科常识题提供了新的探索视角，也为施行数据与表面模拟之间的协同分析设备了更正旅途。通过集会原位原子级STEM成像时期与基于深度学习的图像增强范例，有时精准跟踪材料中的单个原子或原子列，并显耀升迁成像的分辨率和信噪比。这些先进的时期技巧为进一步的原位商量奠定了新平台，有助于鼓动对界面能源学的深切融会与商量。

论文联结：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.4c04472

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