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球差校正透射电镜能够以原子级的分辨率观察材料的表面和内部结构，对于材料科学、纳米技术和固体物理等领域的研究至关重要。然而原子级扫描透射成像（STEM）成像速度慢，提高成像速度导致信噪比和成像质量急剧降低，不适合进行原位观察。近日，北京理工大学邵瑞文、付莹和香港城市大学董立新等人，利用基于深度学习的图像处理技术与球差透射电子显微镜-原位系统相结合，从而能够观察到钾离子在锑硒化物晶体-非晶界面上的迁移及微观结构演变。相关成果以“Deep learning enhanced in-situ atomic imaging of ion migration at crystalline-amorphous interfaces”为题发表在学术期刊《Nano Letters》上。
离子迁移作为一种关键性的微观过程，在能源存储、类脑计算、生物传感器以及生物电子学等多个应用领域中得到广泛应用。这些器件中的晶体材料在工作条件下经历多个离子迁移循环，极易形成缺陷甚至非晶相。由此形成的非晶态与晶体界面展现出一些局部条件的改变，例如悬挂键的增加、原子应变的加剧以及带隙的不匹配。这些变化显著影响了离子的传输特性，并降低了器件的运行效率。然而，由于界面处的非平衡性和隐蔽特性，直接以原子精度探测界面上的离子迁移仍然是一个尚未解决的难题。我们对于界面动力学过程的原子级理解主要依赖于理论模拟。因此，在真实的实验条件下，深入探究非晶-晶体界面的动态耦合与相变始终是一个长期的研究课题。
团队利用原位微纳操作系统、球差校正电镜、以及自主开发的基于深度学习的STEM图像增强器AtomEnhancer，实现了晶界离子迁移的原子层次动态观察。通过直接的原子尺度观察，揭示了硒化锑（Sb2Se3）在晶体-非晶界面处钾离子迁移和微观结构演化的原子动力学。钾离子在（Sb₄Se₆）链外形成稳定的各向异性插层位点，并且在（Sb₄Se₆）链内也有少量钾离子存在。结合实验和密度泛函理论计算，揭示了钾离子插层过程中形成一种新型亚稳态的反应路径，随后在钾离子抽取时界面发生恢复并出现意外的手性变化。该突破发现展示了原子分辨的原位STEM技术研究器件运行与失效原子机制的巨大潜力，并为实验和理论模型提供了新的机遇。
将人工智能技术融入原位原子分辨率透射电子显微镜（TEM）实验，展现出巨大的研究潜力。这一融合不仅有助于探索界面动力学相关的基础材料科学问题，而且为实验数据与理论模拟之间的协同分析提供了创新途径。通过结合原位原子级STEM-HAADF成像技术和基于深度学习的图像增强技术，能够在材料中跟踪单个原子或原子列，显著提高分辨率和对比度。这些技术为进一步的原位研究提供了新的平台，推动了对界面动力学的深入探索。
总之，本文的独特实验设计使我们能够直接观察原子级的离子迁移过程，揭示了此前未曾报道的机制。研究结果表明，界面处存在额外的活性位点，这些位点有助于更多钾离子和电子的容纳。我们还观察到了一种新型的亚稳态，其特征是晶格体积减少10%，随后在钾离子提取后发生了恢复，并在界面处出现意外的手性变化。界面区域的高效离子输运对于许多技术的性能至关重要，涵盖了从电化学能量存储到类神经计算等广泛应用。值得注意的是，当操作过程中界面发生结构转变时，相关的性能可能会发生突变。这表明，这些材料的界面主导性能依赖于稳定和亚稳界面结构及其转变。
