北京大學“電子顯微鏡與電子光學實驗室”的“青年千人”計劃研究員高鵬與日本、臺灣的合作者通過基于高空間分辨率(45皮米,目前最高紀錄)的定量環(huán)形明場像技術(shù)(ABF)發(fā)現(xiàn)，鈦酸鋯鉛(PbZr0.2Ti0.8O3)鐵電薄膜表面存在異常的原子重構(gòu)。鐵電薄膜的表面結(jié)構(gòu)對鐵電數(shù)據(jù)存儲、傳感、表面化學等應用都有很重要的影響。

　　但是在此之前，由于缺乏有效的表征手段來研究這些絕緣復雜氧化物的表面物性，人們對鐵電材料的表面原子結(jié)構(gòu)知之甚少。高鵬研究員過去幾年在美國、日本一直從事基于圖像定量化分析、原位動力學探測等先進電子顯微學技術(shù)來研究鐵電材料的缺陷結(jié)構(gòu)和鐵電疇翻轉(zhuǎn)的動力學過程。他與合作者曾系統(tǒng)地報道過界面對疇的成核效應【Nat. Commun. 2，591 (2011);Science 334，968 (2011)】、缺陷與疇壁的相互作用【Nat. Commun. 4，2791 (2013);Nat. Commun. 5，3801 (2014)】、疇的穩(wěn)定性【Adv.Mater. 24，1106 (2012)】等。

　　他們最新的研究成果是通過利用環(huán)形明場成像技術(shù)在皮米(0.001納米)尺度上精確測量陰、陽離子之間的鍵長來計算表面結(jié)構(gòu)的細微畸變(圖一)。研究表明，在不同極化取向的鐵電疇中，PbZr0.2Ti0.8O3的表面原子結(jié)構(gòu)完全不一樣，在表面薄層中可以存在“鐵電死層”和高能的帶電疇壁。這些發(fā)現(xiàn)為鐵電薄膜、鐵電陶瓷、鐵電表面催化等應用提供了非常重要的信息。同時，發(fā)展起來的基于環(huán)形明場像技術(shù)定量測量絕緣氧化物表面結(jié)構(gòu)的方法將極大地提高人們對這些復雜功能氧化物材料物性的認知。

?　　該研究成果近期發(fā)表于《自然-通訊》上【Nat. Commun. 7，11318 (2016)】，高鵬研究員為論文的第一作者和共同通訊作者。上述研究得到了北京大學電子顯微鏡實驗室、中組部“青年千人”計劃、2011協(xié)同創(chuàng)新中心、自然科學基金等項目經(jīng)費的資助。　

　　圖一 (a)環(huán)形明場像的PbZr0.2Ti0.8O3薄膜的表面結(jié)構(gòu)。(b)極化向下的疇的表面結(jié)構(gòu)。Pb-O鍵長在表面附近的變化趨勢，表明表面附近存在鐵電死層和180度的帶電疇壁。 (c)極化向上的疇的表面結(jié)構(gòu)。Pb-O鍵長在表面附近的演化表明不存在明顯的表面重構(gòu)。(d)極化平行于表面的疇的表面結(jié)構(gòu)。Pb-O鍵長在表面附近的演化，表明表面附近存在鐵電死層和90度的帶電疇壁。