The Innovation | 互联手套箱与TEM的整合系统:解析空气敏感二维量子材料结构的新路径

伴随着越来越多具有优异物理性质的二维材料被发现和合成,二维材料家族不断壮大。从原子尺度深入了解这些材料的结构,对于其未来在电子器件、能源存储和量子计算等领域的应用具有重要指导意义。然而,其中相当一部分材料表现出对水分和氧气的高度敏感性,这使得这部分材料在大气环境下进行合成、转移和结构表征变得极为困难甚至不可能。针对这一关键瓶颈,我们提出了一种创新的解决方案,通过搭建高度集成的透射电子显微镜-手套箱互联系统,实现了对空气敏感二维材料的结构表征。通过在惰性气体环境中完成敏感材料的生长和制样,并结合近年来的最新科研成果,我们验证了这一方案的技术先进性及其在未来广阔应用领域中的巨大潜力。


导 读

二维材料因其独特的层状结构与物理性质得到了广泛关注。然而,许多具有新奇物理性质的二维材料对空气极为敏感,对这些材料进行结构表征受到了许多技术限制。为了解决这一问题,研究人员开发了高度集成的手套箱-透射电镜(TEM)互联系统(GIS),利用惰性气体氛围保护,将样品的合成、转移和表征整合为一体化流程。最后,作者系统的总结了成功利用该系统解析的多种敏感材料的原子结构的工作。


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图1 图文摘要


目前空气敏感二维材料的研究主要面临快速劣化,表面污染等问题。为了克服这些困难,南方科技大学物理系林君浩课题组设计并开发了一种高度集成的手套箱透射电镜(TEM)互联系统(GIS),通过对实验全流程提供惰性气体环境保护,成功实现了对空气敏感二维材料的高效制备与表征。GIS系统具有以下关键技术特点:


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图2 高度集成手套箱-透射电镜(TEM)互联系统(GIS)实现了二维敏感材料从生长-本征原子结构表征的全流程保护



1. 全流程惰性气体保护:GIS从样品合成到转移再到表征的全过程均在氮气保护下进行。化学气相沉积(CVD)设备直接与手套箱相连,可不暴露空气进行材料合成。此外,合成的材料可直接在手套箱之间传递以进行后续转移和表征操作而不暴露空气。


2.高度集成:为了对合成或机械解离的样品进行例如厚度、元素成分、拉曼的初步分析表征。GIS整合了扫描电子显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪等设备,可以实时的对新合成样品进行表征。同时GIS也整合了全自动化干法和湿法样品转移平台,可以迅速的制备TEM样品以进行原子结构解析。这一设计使得实验从合成到表征可以在单一系统内完成。


3.优化的环境控制:为了避免惰性气体系统内的静电积累、振动干扰和高温问题,GIS进行了多项工程优化,包括:设置防静电装置和独立的接地系统;将气体循环装置与实验主舱分离,减少振动对高精度仪器的影响;安装循环水冷系统,维持系统温度恒定(约25℃)。


4. 样品保护与修饰:通过与GIS相连的高真空退火炉清除有机残留,或是在惰性环境下对材料进行进一步封装,GIS显著提高了样品对电子束辐射的抗性,同时减少了界面气泡和污染物的形成。通过等离子清洗机可以进一步提高界面清洁度,以提高器件的接触。


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图3 手套箱保护下的 2D TMDCs 的 STEM 表征


本文详细介绍了GIS系统在多种敏感二维材料结构表征的领域取得的突破:



1. 二维过渡金属硫族化合物(TMDCs):MoTe₂和WTe₂以其独特的拓扑和量子特性受到广泛关注。然而,单层样品空气敏感性严重限制了对其大尺度晶格结构的直接观察。通过搭建GIS,研究者成功制备并表征了单层到多层敏感二维TMDCs材料的原子级结构。同时,文章也介绍了国内外其他课题组,如北京大学赵晓旭团队(图6),康奈尔大学的Judy Cha团队(图3b)以及普林斯顿大学的Leslie Schoop团队(图3d)利用相似的策略,在机械剥离的敏感二维材料样品表征中取得的进展,但受限于手套箱集成度与设计,对于气相化学沉积(CVD)合成的大尺寸低维敏感样品的本征结构解析还受到限制。


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图4 单层 WTe2 中晶界的原子结构



2. 二维磁性材料:二维磁性材料(如CrxTey)在未来自旋电子学和量子计算中具有重要应用价值。通过GIS系统,研究者表征了CrxTey的异质结结构,揭示了Cr原子插层后Cr2Te3形成新的Cr5Te8结构的规律及原子插层对材料的磁性行为的调控作用。


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图5 二维磁性材料CrxTey的表征


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图6 2D 过渡金属三卤化物的 STEM 表征展示了丰富的堆垛结构



3. 过渡金属卤化物(TMHs):TMHs(如FeCl₂、CrI₃)由于其丰富的磁性结构成为新兴研究热点,但其极高的空气敏感性对研究构成挑战。林君浩团队利用GIS系统,系统性的合成并表征了一系列过渡金属二卤化物的本征结构。另外,通过搭建相似的GIS系统,北京大学赵晓续团队观测到具有丰富堆垛结构的TMHs,为解释其磁性与堆垛结构的关联提供了有力的证据。


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图7 多种2D 过渡金属二卤化物的 STEM 表征



4. 三维敏感材料:由于本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4与纳米颗粒高熵合金具有不稳定且较高活性的表面,在大气环境中进行样品合成与制备会带来材料表面的劣化与非晶污染物富集的情况的出现,改变了其本征结构与理化性质。借助GIS系统提供的惰性气体氛围保护,研究人员成功的保护了该类材料的活性表面,避免了材料的劣化并观察到了本征的表面结构。


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图8 GIS在敏感三维材料STEM表征的应用,GIS显著的保护了MnBi2Te4材料的表面的Bi2Te3层(图A)与杜绝纳米颗粒高熵合金的活性表面的非晶污染物富集(图G.iii与G.v)


总结与展望

GIS系统的开发为空气敏感二维材料的研究提供了一个集成化、高效率的平台并探索了在惰性气体环境下TEM样品合成与制备的特殊需要和挑战。为了满足不断发展的科研需求,GIS 需要在其有限的空间内集成更多先进的仪器。这不仅要求 GIS 具有较高的空间利用率,还要求其设计能够最大限度地提高操作便利性和实验灵活性。提高 GIS 内部各单元的集成度和自动化程度就显得尤为重要。同时,手套箱应当被设计与TEM直接相连,以彻底实现样品转移过程水分和氧气的隔绝。这些改进将进一步推动二维材料在量子器件、能源材料及其他前沿领域的研究与应用。


责任编辑


夏良君   武汉纺织大学

高文波   中国科学院大连化学物理研究所


本文内容来自Cell Press 合作期刊 The Innovation 第六卷第一期发表的review文章“Unified transmission electron microscopy with the glovebox integrated system for investigating air-sensitive two-dimensional quantum materials” (投稿: 2024-06-11;接收: 2024-12-02;在线刊出: 2025-01-06)。


DOI:10.1016/j.xinn.2024.100751


引用格式:Yang Q., Li X., Zhao L., et al. (2025). Unified transmission electron microscopy with the glovebox integrated system for investigating air-sensitive two-dimensional quantum materials. The Innovation 6: 100751.


作者简介

林君浩   南方科技大学理学院物理系党委书记、副主任、教授,粤港澳大湾区量子科学中心兼任研究员。博士毕业于美国范德比尔特大学物理系,后赴日本任JSPS特聘研究员,2018年加入南方科技大学物理系任准聘副教授,2024年晋升为长聘正教授。主要研究兴趣为透射电子显微学新技术与新方法的发展,以及新型低维量子材料的微观量子物态的精确测量及缺陷对宏观量子物性的影响。在Nature,Science等期刊发表140余篇文章,总引用次数超16500次,H因子55。承担多项国家与省部级科研攻关项目,入选《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区榜单,获广东省青年五四奖章提名奖,2024年度爱思唯尔中国高被引学者。

实验室官网:https://linjh.phy.sustech.edu.cn/index?id=0


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期刊简介


The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊:向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现,鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球59个国家;已被151个国家作者引用;每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员,来自22个国家;50%编委来自海外(含39位各国院士);领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ,ADS,Scopus,PubMed,ESCI,INSPEC,EI,中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2,2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章,多宣传”理念,The Innovation在海内外各平台推广作者文章。


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