熱離子原子力顯微技術獲《今日顯微鏡學》頒發2017創新獎
近日，Microscopy Society of America旗下Microscopy Today（《今日顯微鏡學》）雜志，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”的新聞報道，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。力電耦合廣泛存在于各類材料之中，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，并不容易，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。
中國科學院深圳先進技術研究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，制備出熱探針，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。對于離子體系而言，采用鎖相放大器和掃描熱探針，可以準確表征材料局部瞬時電化學狀態，而且不受宏觀電流干擾，也不受其他力電耦合效應的干擾，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，而四階諧振只存在于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，晶界響應遠遠大于晶粒內部，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表征之中。
先進院獲2017今日顯微鏡學創新獎
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
