近日，前沿院跨尺度多孔材料研究中心团队与阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）合作，开发了适用于敏感材料TEM试样制备的Cryo-FIB技术路线(图1)，证实了在合适的操作条件下，Cryo-FIB可以用于极度电子束敏感的大尺寸晶体及宏观功能器件的无损试样制备，相关研究成果以题为“Cryogenic Focused Ion Beam Enables Atomic-Resolution Imaging of Local Structures in Highly Sensitive Bulk Crystals and Devices”发表在化学领域国际顶级期刊《JACS》上。前沿院跨尺度多孔材料研究中心博士研究生周金飞、助理研究员韦旎妮为论文共同第一作者，张大梁教授为共同通讯作者。
图1.利用Cryo-FIB制备20um HKUST-1 MOF晶体的TEM样品薄片
研究团队利用超低剂量电子显微成像及电子衍射技术，对于Cryo-FIB制备的试样进行了精细的表征，所得图像正确反映了相应晶体的本征结构，且分辨率可达1.5Å以上，证明了Cryo-FIB对于敏感材料的无损特性。同时，研究团队还以原子级分辨率解析了MOF HKUST-1晶体中大量存在的{111}面缺陷结构（图2），三维重构了MOF UiO-66的共生次晶相（六方Zr12-BDC）结构和两相界面（图3），以及证明了钙钛矿CH3NH3PbI3单晶太阳能电池中存在结构异质性（structural inhomogeneity），并确定了其中存在的超结构物相的分布（图4）。研究结果证明了Cryo-FIB在不同应用场景中的有效性及其与各种电子显微成像模式的兼容性。重要的是，几乎没有其他结构表征方法可以获得如此高空间分辨率下的微区结构细节。
图2. HKUST-1晶体中的面缺陷以及缺陷位置界面结构模型。
图3. Core-Shell UiO-66晶体中六方Zr12-BDC MOF晶体结构和共生界面结构解析。
图4.钙钛矿CH3NH3PbI3单晶太阳能电池中存在结构异质性
该项工作首次论证了Cryo-FIB可以作为敏感材料TEM试样制备的有效方法。Cryo-FIB制样技术与新兴的Ultralow-dose (S)TEM成像技术相结合，可以进一步拓展TEM的应用范围，以原子级空间分辨率揭示其它表征技术无法研究的、隐藏在大尺寸体相材料或器件中的微区结构。
全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c12794
