杏彩体育app下载:27载电镜人新探索：高效捕获电子态信息的软X射线发

　　张伟教授专注电镜研究27载，硕果累累。近年，他另辟蹊径，聚焦在被忽视的基于电镜的软X射线发射光谱新方向，探索其无限潜力。

　　在过去的近百年里，电子显微镜在现代材料科学研究中起着不可或缺的作用。随着电子显微镜技术的发展，能量色散光谱（EDS）、波长色散光谱仪（WDS）以及电子能量损失谱（EELS）等基于电子显微镜的光谱分析手段不断涌现。在电镜空间分辨率的基础上，这些光谱分析手段为电镜表征又赋予了能量分辨率的维度，通过将两者相融合，电镜技术得以在分析过程中获得高能量分辨率和高空间分辨率并存的结果。

　　近年来，随着先进光谱分析手段的发展，出现了一种基于电镜且十分便捷高效的X射线发射光谱分析方法：软X射线发射光谱（SXES）。吉林大学张伟教授在国内、乃至国际，较早的围绕SXES展开了系列研究，并取得了诸多亮眼成果。近三十年，张伟教授围绕电镜，在诸多材料体系均有代表性成果产出，这不仅基于他对电子显微学的热爱，也离不开对电镜技术的“敏感”。近日，仪器信息网有幸采访了张伟教授，请其分享了SXES技术的最新进展与应用潜力，也聆听了其与电镜的故事。

　　张伟，吉林大学电子显微镜中心主任、材料科学与工程学院“唐敖庆学者”领军教授。现任吉林省电子显微镜学会理事长、英国皇家化学会会士（2022），科睿唯安“全球高被引科学家榜单”（2023，交叉学科）。关注电化学能源存储/转换材料的表/界面的化学和物理调控及与性能的构效关系，强调先进材料的电子显微分析。作为学术带头人引进人才来吉林大学工作前，先后在日本国立材料研究所、韩国三星综合技术研究院、德国Fritz-Haber研究所、丹麦技术大学、西班牙能源协作研究中心从事合作和独立的科学研究。2017年起先后任电子显微镜中心副主任、主任。2020年起任唐敖庆学者-领军教授。

　　1997年至2004年，张伟在我国电子显微学重要发展地之一的中国科学院金属研究所攻读硕士和博士，师从我国著名电子显微学专家李斗星研究员、隋曼龄教授。在此，张伟开始开展电镜相关研究，与电镜结缘，并对这个学科产生浓厚兴趣。2004年博士毕业以后又先后在多个国家从事合作和独立的科学研究。2014年开始到吉林大学工作。这十余年间，虽然研究的材料体系广泛、领域不同，但电镜都是最重要的研究手段或对象。

　　攻读博士期间，张伟专注于金属与合金的研究。利用电镜深入探索，通过快速加热的方法，发现了传统钛合金中一种特殊的相变形式——快速升温马氏体相变。由于马氏体相变在材料科学和凝聚态物理领域都扮演着至关重要的角色，这一成果在当时备受关注，不仅发表在应用物理快报上，还得到了中国科学院官方报纸科学时报的专门报道。

　　在德国研究期间，基于团队自由的学术氛围，得以深入研究一些有趣的方向。在电镜中，张伟发现了一种超大单胞的表面终结状态，这在当时具有重大意义。传统观念上，透射电镜主要研究块体结构，但此研究成功挑战了表面研究的难题。通过调整衬度传递函数，结合先进球差电镜中的HAADF-STEM技术，揭示了超大单胞结构表面终结于非完整通道的现象，解决了团队长期关于侧面或表面态原子排布的争议。这一工作发表后，引起了广泛关注，并启发了后续相关的诸多研究。回顾这一发现，张伟认为这依旧是自己目前最具原创性的工作之一。

　　随后在丹麦继续研究期间，张伟在电镜中随意观察石墨烯样品时，意外发现石墨烯上会留下痕迹，敏锐地意识到这可能是一种纳米书写工具。于是深入探究，最终发表了题为“以石墨烯为纸，电子束为墨”的纳米书写技术论文。发表后迅速受到国家科技日报海外头版头条报道，这一结果因他灵活的想法和电镜的作用而备受关注，也让张伟备受激励。

　　回国后，张伟致力于能源存储领域研究，并与西班牙能源协作研究中心和韩国基础科学研究所合作，发现了氢氧化物赝电容超级电容器的新机制，即氢离子的嵌入脱出过程，而非传统认为的表面氧化还原反应。成果发表受到广泛关注，至今被引超过250多次。2019年诺贝尔化学奖获得者古迪纳夫教授甚至专门撰写文章评价了这一工作的重要意义。尽管运用了多种研究手段，但核心仍是张伟对电镜的敏锐洞察，通过观察特征形貌演变和电子衍射谱分析，发现了充电和放电结构的高度相似性，这一发现对后续研究起到了关键作用。

　　问及在诸多材料体系中都有一定成果的原因，张伟讲到，“一个可能是我兴趣在，再有一个也确实热爱”。正如张伟曾经给本科生、研究生和留学生讲授几门相关的课程“材料科学测试方法”、“电子显微镜应用与实例分析”或讲座“电子显微镜魅力职业与追求”中所阐释的，电镜除了是生存手段，更成为喜欢的一个魅力职业。

　　作为现代科研的重要支撑学科，电子显微学在材料物理化学等领域扮演着不可或缺的角色。无论是探索新现象、新机理，还是揭示物质结构，电镜都发挥着举足轻重的作用。通过电镜对材料的深入研究，科学家们得以发现许多未知的领域，为科学进步贡献着力量。回顾以往，许多性成果的获得，正是依赖于电子显微学的突破性发现。例如，碳纳米管、准晶的发现等，背后都离不开电子显微学的直接贡献。

　　同时，随着电镜技术的飞速发展，空间分辨率、能量分辨率以及时间分辨率等方面都取得了前所未有的提高，这些进步离不开新的理论支撑。例如，空间分辨率方面，球差电镜如今已经能够达到0.5埃甚至0.4埃的尺度。然而，一篇物理快报中提到，如果能克服某些限制，分辨率甚至可以达到0.01埃以下。这些突破性的进展，都需要其他学科的研究支持，以实现对分辨率不断突破的目标。

　　张伟的科研工作也与电子显微学的以上两个特性十分契合，在不同材料体系中广泛应用电镜的同时，也在围绕一些电子显微技术进行系统研究。2017年，吉林大学成立电子显微镜中心，张伟先后任电子显微镜中心副主任、执行主任、主任，并开始“双肩挑”的工作。一方面继续在材料学院从事科研工作，一方面也在电镜中心负责管理行政工作，同时也开始“回归”电镜相关研究，希望能通过一些原创性工作，为电子显微学的发展做出一些贡献。其中，软X射线发射光谱的应用与发展就是张伟近来比较聚焦的一个研究方向。

　　X射线发射光谱（XES）属于X射线光谱学，其分析原理是入射电子束辐照内层能级电子使其激发，被激发的电子脱离原来稳定的系统，内壳层会存在空穴，此时整个系统处于一种不稳定的激发态。与此同时，外层电子会向内壳层的空穴发生跃迁（退激发De-excitation），从而促使X射线的发射，通过分析发射光子的能量可以获得相关材料的电子信息。X射线发射光谱有多种类型，其中，软X射线发射光谱（SXES）也可用于确定材料的电子结构。1924年，林德（Lindh）和伦德奎斯特（Lundquist）首次发表了关于X射线发射光谱的实验结果，随后X射线发射光谱被广泛应用在材料研究中。虽然这些早期研究提供了对小分子电子构型的基本见解，但X射线发射光谱直到在同步辐射设施提供高X射线强度束后才得到更广泛的应用。

　　近年来，随着先进光谱分析手段的发展，出现了一种基于电子显微镜且十分便捷高效的X射线发射光谱分析方法：软X射线发射光谱（SXES）。SXES的能量分辨率和检出限分别可以达到0.3 eV和20 ppm，优于EDS（120-130 eV、5000 ppm）和WDS（8 eV、100 ppm）。这意味着SXES的诞生为研究更精细的材料电子结构提供了更多的可能性。

　　SXES作为附着在电子显微镜上的光谱分析方法，其目标是获得更高的分辨率，为了达到超高的能量分辨率以及空间分辨率，该技术也经历了几代漫长的发展。2000年，日本东北大学M Terauchi等人开发了连接到透射电子显微镜的第一代亚电子伏特分辨率软X射线FX）。光谱仪由VLS光栅和冷却的CCD探测器组成。首次在TEM中以0.6 eV能量分辨率的特定样品区域观察到价带（VB）的部分态密度（DOS）。然而，由于空间分辨率仅为1μm，在分析更小结构时能力不足。2002年，第二代软X射线发射光谱仪被开发。与第一代相比，能量分辨率从0.6 eV提高到0.4 eV，空间分辨率从1 μm提高到400 nm。可以设置两种不同的光栅，能量范围为60-1200 eV。然而，高能量区域的收集角和能量分辨率仍然不够。因此，从2008年到2012年，日本科学技术振兴机构(JST)资助了一项产学研联合种子创新项目，开发了一种光谱仪，该光谱仪利用VLS光栅作为色散元件，以达到超高的能量分辨率，可以在50 eV到4000 eV的宽能量范围内对软X射线光谱进行测量。成功研发出新一代商用软X射线 SXES），随后日本电子以商业化产品推向市场。该光谱仪带有两个光栅，可以检测50 -210 eV的一阶光谱和高达420 eV的二阶光谱，以及更高阶的光谱。该光谱仪可以探测到70多种元素的软X射线发射信号。到目前为止，SXES已经成为在纳米尺度上描述材料物理性质的成熟技术。

　　X射线发射主要是由电子束辐照引发的电子从价带（键合电子）到核心能级的电子跃迁。发射的X射线携带着有关键合电子（如Li的2s电子，C的2s和2p电子）的能量状态信息。通过检测电子从价带跃迁到内壳引起的X射线发射（上图），可以获得键合电子的部分态密度。由于核心能级态具有良好的对称性，发射强度分布反映了价带的部分态密度。

　　也就是说，一种新的、方便的表征键合电子态信息的光谱方法诞生了，该方法正在蓬勃发展，并在各个领域中得到应用。

　　关于SXES技术的优势，张伟表示，一方面是分辨率高，其能量分辨率和检出限分别可以达到0.3 eV和20 ppm，优于EDS和WDS。这意味着SXES的诞生为研究更精细的材料电子结构提供了更多的可能性。另一方面，SXES还具有可视化和选择分析区域的优势，这使得SXES能够获得材料的局部或平均信息。此外，SXES 还具有几个独特的优势。第一，SXES的检测深度在几纳米到几百纳米之间，这使得SXES能够对样品进行无损的分析。其次，由于SXES具有非常高的能量分辨率和检出限，因此高能量分辨率的SXES可用于分析材料中化学键的状态。第三，也是最重要的一点，SXES可以对材料中的锂元素进行分。