近日，南方科技大学理学院物理系讲席教授何佳清团队在低剂量条件下对电子束敏感材料的球差透射电镜显微成像研究中取得了新进展，并在《先进材料》（Advanced Materials）上发表了题为“Direct Atomic-Scale Structure and Electric Field Imaging of Triazine-Based Crystalline Carbon Nitride”的研究论文。

透射电镜显微成像是表征和解析材料微观结构最有力的手段，尤其是球差校正器的引入，使其可清楚揭示原子尺度甚至分子水平的精细结构。共轭氮化碳聚合物作为一种新兴的有机半导体光催化材料，主要由C、N和H等轻元素构成，具有范德瓦尔斯层状结构，容易受到电子束辐照的影响，难以在常规透射电镜成像模式下获得其原子尺度的结构信息。由于无法得到清晰的氮化碳材料原子结构表征，研究人员对其光催化机理的深入研究也受到了很大阻碍。

图1低剂量DPC-STEM成像技术研究三嗪基氮化碳晶体的原子结构

为了明确氮化碳材料的原子结构，研究团队采用差分相位衬度-扫描透射电子显微成像（DPC-STEM）这一新兴技术，并在低电子束剂量下，实现了三嗪基氮化碳晶体（耦合Li和Cl离子）的原子结构清晰成像。研究团队首次直接观测到该材料的原子尺度电场分布，为其光催化机理的阐述提供了科学依据。在同等电子束剂量下，DPC-STEM成像技术相较于常规ADF-STEM成像，实现了三嗪基氮化碳晶体结构的高分辨和高性噪比成像，并对轻重原子同时成像。低剂量DPC-STEM图像揭示了三嗪基氮化碳晶体的蜂窝状结构、三嗪环的六元特征及插层Cl离子的位置所在。随着团队对三嗪基氮化碳局部结构的分析，他们发现了框架腔内的三种Li/H构型,并通过实验和模拟DPC-STEM图像相互印证，明确了这两个轻元素Li和H的占位。团队根据实验观测到的Li/H构型和第一性原理计算，进一步阐释了三嗪基氮化碳晶体中Li/H构型与其电子结构和光吸收能力的关系。

图2三嗪基氮化碳晶体的原子结构分析

随后，研究团队基于初始的DPC四分割图像，计算出三嗪基氮化碳晶体的原子结构电场强度图和矢量图，并发现位于框架空腔中心的Cl离子具有明锐的电场，单个三嗪环会形成局部的圆形电场。更为重要的是，他们揭示了Li原子与临近原子的耦合电场，并通过第一性原理计算证实Li与相邻N原子会形成离子键。Li原子附近形成的耦合电场，不仅延伸了三嗪环的π共轭电子结构，而且还构筑出相邻三嗪环单元之间的载流子传输路径，从而有效促进载流子在三嗪基氮化碳层内的迁移。本实验获得的电场分布数据与模拟数据相互匹配，验证了三嗪基氮化碳原子尺度电场观测的可靠性，并在实验和模拟电场强度图的定量对比中，进一步发现了三嗪基氮化碳晶体的插层Li结构。

图3三嗪基氮化碳晶体的原子尺度电场分布

此次研究在低电子束剂量下，获得了三嗪基氮化碳晶体的清晰原子结构，并在原子尺度上探讨了该材料的局部结构与其性质之间的关联。其中，三嗪基氮化碳晶体材料的原子尺度结构和电场研究有助于深入阐述其光催化机理，并进一步开拓了DPC-STEM成像技术对共轭氮化碳聚合物原子结构的研究。

该论文的第一作者为何佳清团队博士后王戊，合作者包括南科大化学系教授黄立民及其课题组博士后孙宗招，以及卡尔斯鲁厄理工学院研究员穆晓柯。何佳清为该论文的唯一通讯作者，南方科技大学为论文第一完成单位。

该研究得到了国家自然科学基金、广东省领军人才计划、广东省电力能源材料重点实验室、广东省催化重点实验室、深圳市清洁能源研究院，深圳市科技创新委员会和南科大高水平项目的经费资助，以及南科大皮米中心的技术支持。

 

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202106359

供稿：物理系

通讯员：许馨文

主图：丘妍