讀創/深圳商報記者 袁斯茹
“如果我們能夠按自己的意願排列原子，將會出現何物？這些物質的性質如何？”早在1959年，諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼就曾提出這個問題。
如今，隨著納米和顯微技術的快速發展，費曼的設想已經成為現實。近日，深圳先進院李江宇研究員告訴深圳商報記者，其團隊成功研發高精度的掃描探針，可用於納米層面材料的研發，目前已在鈣鈦礦電池結構上取得突破，相關成果於2019年發表在《自然·通訊》上。
打磨通向納米世界的“手”
近十年來，納米材料已經顯示了諸多的優越性能。但是，1納米僅有頭髮絲直徑的六萬分之一，在這種微小尺度下，要進一步研究材料的結構和性能間的關係，亟需發展新的技術方法。
“材料的微結構深刻影響其性能，因此兩者的關係是材料科學關注的核心。目前，高性能透射電鏡等顯微技術已經能夠在原子尺度乃至亞原子尺度確定物質的結構、成分、物相等，”李江宇介紹道，“這就像我們的眼睛，能非常清楚地分辨材料的結構。但我們還需要一隻手，能在這個尺度感知材料的性能，並對其進行調控。”
過去十年中，李江宇團隊便致力研究這隻探尋納米世界的“手”。
“納米的微小直徑要求‘手指’具有超高的靈敏度和精度，我們團隊研發的掃描探針顯微技術成功實現了這點。”李江宇告訴記者。
△感知納米材料性能的“手”——掃描探針
據悉，其研發的掃描探針方法能夠在10納米的空間精度下定量測量材料的各種響應。該方法獨特之處在於，如優於0.01K的溫度分辨，同時還能夠分辨響應所對應的微觀機制。
用於鈣鈦礦電池結構研究
利用掃描探針技術，李江宇團隊在熱電材料、鐵電薄膜、固態電池、生物體系等領域做了一系列研究探索，鈣鈦礦太陽能電池是其中之一。
鈣鈦礦電池被認為是新能源領域的下一個顛覆者，在短短十年內，其光電轉化效率已從最初的3%提升至25%。儘管如此，從材料科學角度而言，其最基本的晶體結構仍存在著很大爭議，一部分人認為它是極性的，而另一部分人則認為它是非極性的。兩大陣營都有實驗數據支持自己的觀點。
△鈣鈦礦電池屬於第三代太陽能電池
“這兩種可能的晶體結構差別非常細微，最先進的透射電鏡、X光衍射等結構表徵方法都難以分辨，”李江宇表示。這一難題在掃描探針下迎刃而解，“兩種結構在掃描探針下的力電響應有著非常顯著的差別。經過大量實驗，我們觀察到晶體中極性與非極性交替並存的現象。”
△利用掃描探針觀察到的極性非極性交替現象
這一發現為該領域爭議已久的問題找到了答案，相關論文在2018年發表於自然子刊上。
“手指”+“眼睛”聯合探秘
用“手指”摸清本質結構後，團隊結合“眼睛”，也就是透射電鏡進一步開展研究，這回瞄準的是鈣鈦礦電池商業化面臨的最大挑戰——穩定性問題。
據瞭解，鈣鈦礦電池雖然性能優異，卻極易降解，導致性能衰退。“在材料降解退化過程中，我們與合作者利用透射電鏡觀察到一個新現象，即材料會經歷一箇中間狀態的超結構。”
如果能將材料穩定在超結構下，那麼就能提升材料和器件的穩定性，初步的實驗印證了這一猜想。此外，團隊發現超結構也具有優異的機電耦合性能，為鈣鈦礦電池材料和器件的進一步優化提供了方向指引。
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