[论文解读] Direct Imaging of Charge Redistribution due to Bonding at Atomic Resolution via Electron Ptychography

Gerardo Martínez, Shi, Benjamin X.+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2019

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications被引用 10

一句话总结

本文通过扫描透射电子显微镜中的电子ptychography，首次实现了在原子分辨率下直接实验成像化学键引起的电荷重分布。通过结合ptychographic相位重构、后采集像差校正以及同步的环形暗场成像，作者成功解析了单层六方氮化硼中的电荷转移，其结果与包含化学键效应的密度泛函理论计算高度一致。

ABSTRACT

Phase imaging in electron microscopy is sensitive to the local potential, including charge redistribution from bonding. We demonstrate that electron ptychography provides the necessary sensitivity to detect this subtle effect by directly imaging the charge redistribution in single layer boron nitride. Residual aberrations can be measured and corrected post-collection, and simultaneous atomic number contrast imaging provides unambiguous sub-lattice identification. Density functional theory calculations confirm the detection of charge redistribution.

研究动机与目标

• 在原子分辨率下直接成像二维材料中由化学键引起的电荷重分布。
• 克服传统电子显微镜在探测由化学键引起的微弱电荷密度变化方面的局限性。
• 开发一种对残余透镜像差具有鲁棒性的高灵敏度局部电子结构成像方法。
• 通过同步的环形暗场（ADF）对比，明确识别相位图像中的原子亚晶格。
• 将实验相位图像与包含电子相关性和化学键效应的第一性原理DFT模拟结果进行验证。

提出的方法

• 采用扫描透射电子显微镜（STEM）的4D电子ptychography（WDD）数据采集模式，在每个探针位置记录衍射图样。
• 应用ptychographic相位重构方法，从测量的衍射数据重建出高灵敏度相位图像，实现亚埃分辨率。
• 利用ptychographic算法在后采集阶段进行像差校正，以消除残余透镜畸变，提高相位精度。
• 将相位图像与同步的ADF成像相结合，实现对六方氮化硼中B和N原子的无歧义亚晶格识别。
• 使用CASTEP和WIEN2k代码进行密度泛函理论（DFT）计算，以模拟投影势和相位对比，涵盖多种交换-关联泛函。
• 将积分平方相位对比（ISPCS）作为定量指标，用于比较实验与模拟的相位对比，实现与DFT结果的直接对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子ptychography能否在原子分辨率下解析二维材料中由化学键引起的电荷重分布？
• RQ2 在DFT模拟中包含化学键效应后，预测的相位对比与实验测量结果相比有何变化？
• RQ3 残余透镜像差在多大程度上影响相位成像保真度？是否可在后采集阶段进行校正？
• RQ4 在ptychography中同步使用ADF成像，能否消除相位图像中亚晶格分配的歧义？
• RQ5 在不同交换-关联泛函下，实验测得的ISPCS与DFT预测的ISPCS之间的定量一致性如何？

主要发现

• 经像差校正后的实验ISPCS值为 $-0.168 \pm 0.043$ rad²Å²，与包含化学键效应的DFT模拟结果高度一致，如PBE-CASTEP（$-0.210 \pm 0.007$ rad²Å²）和PBE0（$-0.111 \pm 0.007$ rad²Å²）。
• 独立原子模型（IAM）的ISPCS值为 $-0.704 \pm 0.007$ rad²Å²，与实验结果显著偏离，证实化学键效应在准确预测相位对比中至关重要。
• 采用更精确泛函（如PBE0、rSCAN）的DFT计算得到的ISPCS值比LDA或PBE更接近实验值，表明其对电子密度和电荷转移的描述更优。
• 实验相位图像显示出与B到N电荷转移一致的清晰对比调制，PBE0计算中Mulliken电荷转移为0.95个电子。
• 在ptychography中采用后采集像差校正，可确保相位测量反映真实的电子结构，而非仪器畸变。
• 仅当DFT模拟包含化学键效应时，才能重现实验ISPCS，证明所观测到的相位对比源于化学键引起的电荷重分布，而非静态势或仪器伪影。