熱離子原子力顯微技術獲《今日顯微鏡學》頒發2017創新獎
2020-11-25 中國科學院熱離子原子力顯微技術獲《今日顯微鏡學》頒發2017創新獎
2017-09-07 深圳先進技術研究院
語音播報
近日，Microscopy Society of America旗下Microscopy Today（《今日顯微鏡學》）雜誌，宣布將2017 Microscopy Today Innovation Award（2017今日顯微鏡學創新獎）授予中科院深圳先進技術研究院和華盛頓大學，表彰他們所研發的熱離子原子力顯微鏡。此前，美國物理聯合會 (American Institute of Physics)還曾發布題為「Tiny Probe Could Produce Big Improvements in Batteries and Fuel Cells」的新聞報導，介紹這一新的納米調控與測量方法。
鋰電池在充放電過程中，鋰離子在電極中進進出出，會引起形變，產生應力，即所謂的Vegard電化學應變。這樣的應力應變既制約了電池容量，也影響其可靠性和實效；這也是當前的一個研究熱點。力電耦合廣泛存在於各類材料之中，有許多不同的微觀機制，如線性的壓電效應、二階的電致伸縮、導電探針與表面電荷的靜電作用、以及樣品的電容效應等等，都會引起探針的振動。因此，要區分原子力顯微鏡掃描探針力電效應的來源，並不容易，這也給電化學應變原子力顯微技術數據分析帶來很大的挑戰。
深圳先進院納米調控與生物力學研究室的研究人員，就利用電化學應變研發新型熱離子原子力顯微鏡，用以探測材料納米尺度局域電化學行為。科研人員通過微加工的方式，製備出熱探針，針尖有一個高電阻，通過電流可以實現局部高溫。溫度振蕩會進一步引起局部熱應力和相應的熱應變，它所反應的是材料局部熱力耦合行為。對於離子體系而言，採用鎖相放大器和掃描熱探針，可以準確表徵材料局部瞬時電化學狀態，而且不受宏觀電流幹擾，也不受其他力電耦合效應的幹擾，較之電化學應變原子力顯微技術，具有明顯的優勢。這就是所謂的熱離子原子力顯微技術，所體現的信息則包含局部的離子濃度和遷移率，具有很高的空間精度。
實驗中這個方法驗證了二階諧振普遍存在，而四階諧振只存在於離子體系的理論分析。研究人員還發現，在Ceria樣品三晶粒交界處，晶界響應遠遠大於晶粒內部，顯示其高的電化學活性。研究人員普遍認為這一現象是由空間電荷在晶界聚集所引起的。可以預期，熱離子原子力顯微技術具有潛力，特別是在電化學系統的In-Operando表徵之中。
熱探針及其原理示意
熱離子成像圖，可以視為空間電荷的局部分布
近日，Microscopy Society of America旗下Microscopy Today（《今日顯微鏡學》）雜誌，宣布將2017 Microscopy Today Innovation Award（2017今日顯微鏡學創新獎）授予中科院深圳先進技術研究院和華盛頓大學，表彰他們所研發的熱離子原子力顯微鏡。此前，美國物理聯合會 (American Institute of Physics)還曾發布題為「Tiny Probe Could Produce Big Improvements in Batteries and Fuel Cells」的新聞報導，介紹這一新的納米調控與測量方法。
鋰電池在充放電過程中，鋰離子在電極中進進出出，會引起形變，產生應力，即所謂的Vegard電化學應變。這樣的應力應變既制約了電池容量，也影響其可靠性和實效；這也是當前的一個研究熱點。力電耦合廣泛存在於各類材料之中，有許多不同的微觀機制，如線性的壓電效應、二階的電致伸縮、導電探針與表面電荷的靜電作用、以及樣品的電容效應等等，都會引起探針的振動。因此，要區分原子力顯微鏡掃描探針力電效應的來源，並不容易，這也給電化學應變原子力顯微技術數據分析帶來很大的挑戰。
深圳先進院納米調控與生物力學研究室的研究人員，就利用電化學應變研發新型熱離子原子力顯微鏡，用以探測材料納米尺度局域電化學行為。科研人員通過微加工的方式，製備出熱探針，針尖有一個高電阻，通過電流可以實現局部高溫。溫度振蕩會進一步引起局部熱應力和相應的熱應變，它所反應的是材料局部熱力耦合行為。對於離子體系而言，採用鎖相放大器和掃描熱探針，可以準確表徵材料局部瞬時電化學狀態，而且不受宏觀電流幹擾，也不受其他力電耦合效應的幹擾，較之電化學應變原子力顯微技術，具有明顯的優勢。這就是所謂的熱離子原子力顯微技術，所體現的信息則包含局部的離子濃度和遷移率，具有很高的空間精度。
實驗中這個方法驗證了二階諧振普遍存在，而四階諧振只存在於離子體系的理論分析。研究人員還發現，在Ceria樣品三晶粒交界處，晶界響應遠遠大於晶粒內部，顯示其高的電化學活性。研究人員普遍認為這一現象是由空間電荷在晶界聚集所引起的。可以預期，熱離子原子力顯微技術具有潛力，特別是在電化學系統的In-Operando表徵之中。
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