量子材料是指具備電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的材料，量子材料序參量包括點(diǎn)陣、電荷、自旋、軌道和拓?fù)�；電子顯微學(xué)是測(cè)量和研究具有一定能量的電子和物質(zhì)交互作用后產(chǎn)生的各種信號(hào)的學(xué)說(shuō)。把這三點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，就是這本書(shū)的書(shū)名。如何能從原子尺度測(cè)量和了解這些與原子結(jié)構(gòu)中多個(gè)自由度相關(guān)的特征參量及它們之間的關(guān)聯(lián)性呢？近代物理學(xué)原理和儀器設(shè)備制造上的發(fā)展為我們提供了一些有力的測(cè)量手段和分析的知識(shí)基礎(chǔ)。電子顯微學(xué)方法是其中很重要的一個(gè)工具。對(duì)物質(zhì)中原子位置的正倒空間的成像和衍射譜及疊層衍射成像(ptychography)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)維度上定位單個(gè)原子并確定其熱振動(dòng)常數(shù)。通過(guò)入射電子和物質(zhì)的交互作用得到的電子能量損失譜及X射線能譜能夠提供物質(zhì)中原子的種類、聲子、電荷、自旋及軌道等序參量。差分相位襯度(DPC)技術(shù)的引入能呈現(xiàn)原子尺度的點(diǎn)陣和電場(chǎng)/電荷密度分布的關(guān)聯(lián)性等。原位技術(shù)幫助人們理解外場(chǎng)(力、電、熱、磁)下，物質(zhì)結(jié)構(gòu)的演變。人工智能的高通量技術(shù)可以考核原子尺度獲得的序參量及其關(guān)聯(lián)性是否能反映毫厘米尺度的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。等等。作者團(tuán)隊(duì)從2008年開(kāi)始相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)和技術(shù)儲(chǔ)備的研究，包括：亞埃尺度的表征、EELS譜的深入理解和應(yīng)用、定量EMCD的研究等等。于2013年開(kāi)始籌劃-2014年申請(qǐng)國(guó)家973課題“鐵性序參量的亞原子尺度協(xié)同測(cè)量及耦合機(jī)制”(課題編號(hào)：2015CB654902)。相繼的獲得了其它國(guó)家項(xiàng)目的支持。在鐵電、多鐵、磁光、Cu基高溫超導(dǎo)、高熵儲(chǔ)能和中熵合金材料中做了一些工作，通過(guò)多種序參量的測(cè)量和關(guān)聯(lián)研究，初步揭示了這些材料的結(jié)構(gòu)和性能之間的聯(lián)系，有益于相關(guān)材料的研發(fā)和應(yīng)用。
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目錄
前言
第1章 量子材料序參量 1
1.1 量子材料 1
1.2 量子材料序參量的概念 1
1.2.1 序參量一詞來(lái)源 1
1.2.2 量子材料序參量?jī)?nèi)涵 2
1.3 量子材料序參量的測(cè)量 4
1.3.1 量子材料序參量表征技術(shù) 4
1.3.2 電子顯微技術(shù)對(duì)量子材料序參量表征的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì) 7
1.4 研究量子材料序參量的意義 9
參考文獻(xiàn) 10
第2章 電子顯微鏡和電子顯微學(xué) 12
2.1 透射電子顯微學(xué) 13
2.1.1 電子的散射與衍射 13
2.1.2 透射電子顯微鏡的構(gòu)造 15
2.1.3 透射電子顯微鏡的成像原理 16
2.2 掃描透射電子顯微學(xué) 18
2.2.1 掃描透射電子顯微鏡的電子光路 18
2.2.2 掃描透射電子顯微鏡的成像原理 20
2.3 像差與像差校正 22
2.4 電子能量損失譜 24
2.4.1 譜儀構(gòu)造 24
2.4.2 電子能量損失譜簡(jiǎn)介 25
2.4.3 電子能量損失過(guò)濾像 26
2.4.4 電子能量損失譜圖 (STEM-EELS 技術(shù)) 28
2.5 電子顯微鏡中的 X 射線能譜 29
2.5.1 譜儀構(gòu)造 29
2.5.2 X 射線能譜簡(jiǎn)介 30
2.5.3 原子分辨的元素成像 31
2.6 差分相位襯度成像技術(shù) 33
2.6.1 差分相位襯度基本原理 33
2.6.2 積分的差分相位襯度成像技術(shù) 34
2.7 四維掃描透射電子顯微術(shù) 35
2.7.1 4D-STEM 的基本原理 35
2.7.2 納衍射 4D-STEM 36
2.7.3 原子尺度 4D-STEM 的新成像技術(shù) 37
2.7.4 疊層衍射成像技術(shù) 37
參考文獻(xiàn) 41
第3章 點(diǎn)陣序參量 48
3.1 晶體的對(duì)稱性和周期性 48
3.1.1 晶體對(duì)稱性 48
3.1.2 晶體結(jié)構(gòu)的周期性 51
3.1.3 晶體的母源結(jié)構(gòu)與衍生結(jié)構(gòu) 52
3.1.4 晶體對(duì)稱性和晶體的物理性質(zhì) 55
3.1.5 鐵電性晶體的對(duì)稱性 56
3.2 倒易點(diǎn)陣 68
3.2.1 衍射空間 71
3.2.2 晶體空間與倒易空間的傅里葉變換關(guān)系 72
3.2.3 納衍射 75
3.2.4 會(huì)聚束衍射 83
3.3 正空間點(diǎn)陣圖像 90
3.3.1 從量子力學(xué)出發(fā)的布洛赫波——衍射襯度理論 90
3.3.2 從衍射物理出發(fā)的多層法——相位襯度理論 98
3.3.3 像差校正透射電子顯微鏡和負(fù)球差成像 110
3.3.4 像差校正 STEM-HAADF/STEM-ABF/STEM-iDPC 112
3.3.5 疊層衍射成像技術(shù) 陳震 117
3.4 正空間點(diǎn)陣圖像的信息提取 118
3.4.1 基于正空間點(diǎn)陣圖像獲取晶格畸變信息 119
3.4.2 基于正空間點(diǎn)陣圖像構(gòu)造單胞結(jié)構(gòu) 122
3.5 點(diǎn)陣序參量研究實(shí)例 123
3.5.1 間隙氧原子對(duì)點(diǎn)陣序參量的影響 123
3.5.2 熵值對(duì)點(diǎn)陣序參量的影響 128
3.5.3 反鐵電體系的點(diǎn)陣序參量 131
3.5.4 外電場(chǎng)對(duì)鐵電材料點(diǎn)陣序參量的影響 136
參考文獻(xiàn) 141
第4章 軌道序參量 147
4.1 軌道序參量的定義 147
4.1.1 原子軌道 147
4.1.2 軌道躍遷 149
4.1.3 晶體中的軌道 150
4.2 電子能量損失譜表征軌道序參量 152
4.2.1 點(diǎn)陣序參量與軌道序參量的關(guān)聯(lián) 152
4.2.2 材料各向異性與軌道序參量的測(cè)量 159
4.3 5d 電子軌道的電子顯微學(xué)表征 162
參考文獻(xiàn) 164
第5章 電荷序參量 167
5.1 電荷序參量的定義 167
5.2 定量會(huì)聚束電子衍射測(cè)量電荷密度分布 168
5.3 4D-STEM 與 DPC 技術(shù)對(duì)電荷序參量的表征 170
5.4 EELS 方法測(cè)量核外電子電荷得失轉(zhuǎn)移引起的元素化合價(jià)
變化 173
5.5 直接探測(cè)軌道之間的電荷轉(zhuǎn)移：鈰元素的疇界偏聚誘導(dǎo)出Fe(3d)-Ce(4f) 176
5.6 EELS 方法測(cè)量銅氧化物超導(dǎo)體的電荷轉(zhuǎn)移能隙 183
參考文獻(xiàn) 193
第6章 自旋序參量 198
6.1 定量 EMCD 技術(shù) 198
6.1.1 EMCD 技術(shù)的基本原理 198
6.1.2 EMCD 技術(shù)與衍射動(dòng)力學(xué)效應(yīng) 201
6.1.3 定量 EMCD 方法的理論計(jì)算框架 204
6.1.4 定量 EMCD 方法的數(shù)據(jù)處理方法 208
6.1.5 定量磁參數(shù)的計(jì)算 211
6.1.6 衍射幾何不對(duì)稱性對(duì)定量磁參數(shù)的影響 212
6.1.7 定量 EMCD 技術(shù)一般方法 213
6.2 原子面分辨的定量 EMCD 221
6.2.1 原子面分辨 EMCD 的基本原理 222
6.2.2 原子面分辨 EMCD 信號(hào)的測(cè)量 223
6.2.3 原子面分辨 EMCD 信號(hào)的模擬 225
6.3 面內(nèi) EMCD 技術(shù) 226
6.3.1 面內(nèi) EMCD 技術(shù)的基本原理 226
6.3.2 面內(nèi) EMCD 技術(shù)的信號(hào)模擬 227
6.3.3 面內(nèi) EMCD 技術(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量 229
6.4 磁結(jié)構(gòu)成像的正空間直接觀察 232
6.4.1 洛倫茲磁成像技術(shù) 232
6.4.2 電子全息磁成像技術(shù) 235
6.4.3 洛倫茲掃描透射電子顯微術(shù) 238
6.4.4 試樣在極靴中的磁化狀態(tài) 240
參考文獻(xiàn) 241
第7章 拓?fù)湫騾⒘俊負(fù)渑c拓?fù)洳牧?244
7.1 拓?fù)鋵W(xué) 244
7.1.1 拓?fù)淇臻g 244
7.1.2 拓?fù)湫再|(zhì) 244
7.1.3 拓?fù)鋵W(xué)的起源與發(fā)展 245
7.1.4 拓?fù)鋵W(xué)的分支 246
7.1.5 拓?fù)鋵W(xué)的應(yīng)用 247
7.2 霍爾效應(yīng) 247
7.2.1 霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 248
7.2.2 反�；魻栃�(yīng) 249
7.2.3 自旋霍爾效應(yīng) 249
7.2.4 量子霍爾效應(yīng) 249
7.3 拓?fù)洳牧霞澳軒ЫY(jié)構(gòu) 251
7.3.1 拓?fù)浣^緣體 251
7.3.2 拓?fù)渚w絕緣體 254
7.3.3 拓?fù)浒虢饘?254
7.3.4 拓?fù)涑瑢?dǎo)體 259
7.4 拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu) (topological spin textures) 和磁/極化斯格明子(magnetic/polar skyrmions) 260
7.4.1 引言 260
7.4.2 磁斯格明子 260
7.4.3 鐵電極化斯格明子 268
7.5 磁性材料、鐵電材料和多鐵材料的拓?fù)湫?272
7.5.1 二維材料的拓?fù)鋽?shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 273
7.5.2 六方多鐵 YMnO3 中的拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu) 279
參考文獻(xiàn) 284
第8章 量子材料序參量的協(xié)同測(cè)量與關(guān)聯(lián)性研究 294
8.1 鉍摻雜石榴石磁光材料中多重序參量的關(guān)聯(lián)性研究 294
8.1.1 鉍摻雜石榴石磁光材料的點(diǎn)陣序參量的測(cè)量 295
8.1.2 鉍摻雜石榴石磁光材料的電荷和軌道序參量的測(cè)量 297
8.1.3 鉍摻雜石榴石磁光材料的自旋序參量的測(cè)量 299
8.1.4 鉍摻雜石榴石磁光材料的理論計(jì)算 301
8.1.5 小結(jié) 303
參考文獻(xiàn) 304
8.2 高溫超導(dǎo)銅氧化物中贗能隙態(tài)下的拓?fù)浯艤u旋序 305
8.2.1 引言 305
8.2.2 贗能隙態(tài)下異常磁結(jié)構(gòu)的理論預(yù)測(cè) 305
8.2.3 贗能隙態(tài)下時(shí)間反演對(duì)稱性破缺的前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 307
8.2.4 贗能隙態(tài)下拓?fù)浯艤u旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn) 308
8.2.5 拓?fù)浯艤u旋結(jié)構(gòu)隨外加磁場(chǎng)和外加溫度場(chǎng)的演變 309
8.2.6 銅氧化物 YBa2Cu3O6+x 的拓?fù)浯艤u旋相圖的構(gòu)建 311
8.2.7 拓?fù)湫蚺c電荷序的關(guān)聯(lián)作用 312
8.2.8 小結(jié) 313
參考文獻(xiàn) 313
8.3 自旋流器件 YIG-Pt 界面序參量的測(cè)量及關(guān)聯(lián)性研究 315
8.3.1 自旋流器件性能與界面結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性 315
8.3.2 Y3Fe5O12-Pt 自旋流器件界面原子結(jié)構(gòu)的測(cè)量 316
8.3.3 Y3Fe5O12-Pt 自旋流器件界面成分和價(jià)態(tài)的測(cè)量 317
8.3.4 Y3Fe5O12-Pt 自旋流器件界面磁性的測(cè)量 319
8.3.5 小結(jié) 322
參考文獻(xiàn) 323
8.4 LuFeO 中電子–晶格關(guān)聯(lián)作用誘導(dǎo)點(diǎn)陣重構(gòu)的實(shí)空間探測(cè) 324
8.4.1 LuFeO 中電子–晶格關(guān)聯(lián)作用及衍生物態(tài) 324
8.4.2 LuFeO 中晶格重構(gòu)的測(cè)量 325
8.4.3 LuFeO 中電子–晶格關(guān)聯(lián)作用誘導(dǎo)的晶格重構(gòu) 326
8.4.4 LuFeO 中電子–晶格關(guān)聯(lián)作用誘導(dǎo)的晶格重構(gòu)——探測(cè)實(shí)空間的電子態(tài)分布 329
8.4.5 小結(jié) 330
參考文獻(xiàn) 330
8.5 BiFeO3 中極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的化學(xué)調(diào)控及外電場(chǎng)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)性研究 331
8.5.1 鐵酸鉍中的極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 332
8.5.2 鐵酸鉍頂層結(jié)構(gòu)的原子尺度序參量表征 335
8.5.3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的外電場(chǎng)響應(yīng) 337
8.5.4 小結(jié) 338
參考文獻(xiàn) 339
致謝 341
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