稀土镍酸盐氧化物，又称镍酸盐，因其具有电子相变特性而引起了研究人员的广泛兴趣，并有望在未来的电子器件中得到应用。这种特殊的相变包括从金属状态转变为导电，随着温度下降而变成电绝缘状态。
在这种行为背后，这些化合物的电子性质与其“晶格”结构之间有着强烈的相互作用，即形成晶体的原子有序排列。然而，要揭示镍酸盐中这种金属到绝缘体相变的真实性质，并能够控制它用于潜在电子器件，需要了解每个特征相是如何在过渡过程中产生和演变的。
现在，来自EPFL和日内瓦大学的科学家们已经将两种尖端技术结合起来，实现了每个不同电子相的纳米级映射。这项研究发表在《纳米通讯》杂志上，由EPFL基础科学学院的Duncan Alexander博士和日内瓦大学Jean-MarcTriscone教授组成。
为了充分理解新电子材料所显示的物理特性，并控制它们在器件中，需要新的原子尺度表征技术。在这方面，研究人员首次能够精确地确定原子工程装置的金属和绝缘区域，这些器件由两种具有近原子分辨率的镍化合物制成。该方法将有助于更好地理解这一重要电子材料家族的物理性能。
研究人员将像差校正扫描透射电子显微镜（STEM）与单色电子能量损失谱（EELS）相结合。在STEM中，图像是通过扫描电子束形成的，电子束聚焦到大约1埃的大小，穿过一个足够薄的样品，并使用环形探测器收集透射和散射的电子。虽然技术要求很高，但这项技术可以让研究人员精确地观察晶体的晶格结构，一行一行地观察原子。对于第二种技术EELS，那些通过环形探测器中心孔的电子被收集起来。其中一些电子由于与镍酸盐晶体中的镍原子相互作用而失去了一些能量。通过测量这种能量差是如何变化的，可以确定镍酸盐化合物的金属或绝缘状态。
由于所有的电子都是同时散射和收集的，研究人员能够将电子状态的变化与不同镍酸盐化合物中相关的晶格位置联系起来。这种方法第一次绘制出金属或绝缘区域的空间结构图，达到了大约3.5埃埃（0.35纳米）的非常高的空间分辨率。该技术将成为研究和指导这些新型电子材料原子工程的重要工具。
最新的电子显微镜能够以原子或纳米空间分辨率测量各种材料的物理性质。在这里，通过将EPFL的Titan Themis显微镜的性能推向极限，在这一领域向前迈出了令人兴奋的一步，证明了测量由两种不同的镍酸盐精确制成的薄膜结构的电子状态变化。该方法为研究这些镍酸盐化合物的物理性质开辟了新的途径，揭示了在原子尺度上这种材料是导电的还是绝缘的，这是一个重要的问题，有助于更好地理解这些材料，以便在未来的计算方法中使用。
论文信息：Bernat Mundet et al. Near-Atomic-Scale Mapping of Electronic Phases in Rare Earth Nickelate Superlattices, Nano Letters (2021).
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c04538
