量子材料序参量和电子显微学

量子材料是21世纪凝聚态物理的研究热点，其各种物相及宏观性能与材料中多个序参量（包括点阵、电荷、自旋、轨道及拓扑）密切相关。现代优选电子显微学为在原子尺度表征量子材料的诸序参量及其关联机制提供了强有力的工具。本书在介绍电子显微学原理的基础上，系统介绍了如何采用电子显微学方法测量和研究量子材料序参量，并总结了对铁性材料、磁光材料、高温超导材料等进行序参量测量和协同性研究的成果。本书适合凝聚态物理、材料科学、电子显微学等专业的研究生、本科生、教师与科技工作者阅读。

前言
第1章 量子材料序参量 1
1.1 量子材料 1
1.2 量子材料序参量的概念 1
1.2.1 序参量一词来源 1
1.2.2 量子材料序参量内涵 2
1.3 量子材料序参量的测量 4
1.3.1 量子材料序参量表征技术 4
1.3.2 电子显微技术对量子材料序参量表征的特点与优势 7
1.4 研究量子材料序参量的意义 9
参考文献 10
第2章 电子显微镜和电子显微学 12
2.1 透射电子显微学 13
2.1.1 电子的散射与衍射 13
2.1.2 透射电子显微镜的构造 15
2.1.3 透射电子显微镜的成像原理 16
2.2 扫描透射电子显微学 18
2.2.1 扫描透射电子显微镜的电子光路 18
2.2.2 扫描透射电子显微镜的成像原理 20
2.3 像差与像差校正 22
2.4 电子能量损失谱 24
2.4.1 谱仪构造 24
2.4.2 电子能量损失谱简介 25
2.4.3 电子能量损失过滤像 26
2.4.4 电子能量损失谱图 (STEM-EELS 技术) 28
2.5 电子显微镜中的 X 射线能谱 29
2.5.1 谱仪构造 29
2.5.2 X 射线能谱简介 30
2.5.3 原子分辨的元素成像 31
2.6 差分相位衬度成像技术 33
2.6.1 差分相位衬度基本原理 33
2.6.2 积分的差分相位衬度成像技术 34
2.7 四维扫描透射电子显微术 35
2.7.1 4D-STEM 的基本原理 35
2.7.2 纳衍射 4D-STEM 36
2.7.3 原子尺度 4D-STEM 的新成像技术 37
2.7.4 叠层衍射成像技术 37
参考文献 41
第3章 点阵序参量 48
3.1 晶体的对称性和周期性 48
3.1.1 晶体对称性 48
3.1.2 晶体结构的周期性 51
3.1.3 晶体的母源结构与衍生结构 52
3.1.4 晶体对称性和晶体的物理性质 55
3.1.5 铁电性晶体的对称性 56
3.2 倒易点阵 68
3.2.1 衍射空间 71
3.2.2 晶体空间与倒易空间的傅里叶变换关系 72
3.2.3 纳衍射 75
3.2.4 会聚束衍射 83
3.3 正空间点阵图像 90
3.3.1 从量子力学出发的布洛赫波——衍射衬度理论 90
3.3.2 从衍射物理出发的多层法——相位衬度理论 98
3.3.3 像差校正透射电子显微镜和负球差成像 110
3.3.4 像差校正 STEM-HAADF/STEM-ABF/STEM-iDPC 112
3.3.5 叠层衍射成像技术 陈震 117
3.4 正空间点阵图像的信息提取 118
3.4.1 基于正空间点阵图像获取晶格畸变信息 119
3.4.2 基于正空间点阵图像构造单胞结构 122
3.5 点阵序参量研究实例 123
3.5.1 间隙氧原子对点阵序参量的影响 123
3.5.2 熵值对点阵序参量的影响 128
3.5.3 反铁电体系的点阵序参量 131
3.5.4 外电场对铁电材料点阵序参量的影响 136
参考文献 141
第4章 轨道序参量 147
4.1 轨道序参量的定义 147
4.1.1 原子轨道 147
4.1.2 轨道跃迁 149
4.1.3 晶体中的轨道 150
4.2 电子能量损失谱表征轨道序参量 152
4.2.1 点阵序参量与轨道序参量的关联 152
4.2.2 材料各向异性与轨道序参量的测量 159
4.3 5d 电子轨道的电子显微学表征 162
参考文献 164
第5章 电荷序参量 167
5.1 电荷序参量的定义 167
5.2 定量会聚束电子衍射测量电荷密度分布 168
5.3 4D-STEM 与 DPC 技术对电荷序参量的表征 170
5.4 EELS 方法测量核外电子电荷得失转移引起的元素化合价
变化 173
5.5 直接探测轨道之间的电荷转移：铈元素的畴界偏聚诱导出Fe(3d)-Ce(4f) 176
5.6 EELS 方法测量铜氧化物超导体的电荷转移能隙 183
参考文献 193
第6章 自旋序参量 198
6.1 定量 EMCD 技术 198
6.1.1 EMCD 技术的基本原理 198
6.1.2 EMCD 技术与衍射动力学效应 201
6.1.3 定量 EMCD 方法的理论计算框架 204
6.1.4 定量 EMCD 方法的数据处理方法 208
6.1.5 定量磁参数的计算 211
6.1.6 衍射几何不对称性对定量磁参数的影响 212
6.1.7 定量 EMCD 技术一般方法 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 信号的测量 223
6.2.3 原子面分辨 EMCD 信号的模拟 225
6.3 面内 EMCD 技术 226
6.3.1 面内 EMCD 技术的基本原理 226
6.3.2 面内 EMCD 技术的信号模拟 227
6.3.3 面内 EMCD 技术的实验测量 229
6.4 磁结构成像的正空间直接观察 232
6.4.1 洛伦兹磁成像技术 232
6.4.2 电子全息磁成像技术 235
6.4.3 洛伦兹扫描透射电子显微术 238
6.4.4 试样在极靴中的磁化状态 240
参考文献 241
第7章 拓扑序参量——拓扑与拓扑材料 244
7.1 拓扑学 244
7.1.1 拓扑空间 244
7.1.2 拓扑性质 244
7.1.3 拓扑学的起源与发展 245
7.1.4 拓扑学的分支 246
7.1.5 拓扑学的应用 247
7.2 霍尔效应 247
7.2.1 霍尔效应的发现 248
7.2.2 反常霍尔效应 249
7.2.3 自旋霍尔效应 249
7.2.4 量子霍尔效应 249
7.3 拓扑材料及能带结构 251
7.3.1 拓扑绝缘体 251
7.3.2 拓扑晶体绝缘体 254
7.3.3 拓扑半金属 254
7.3.4 拓扑超导体 259
7.4 拓扑自旋结构 (topological spin textures) 和磁/极化斯格明子(magnetic/polar skyrmions) 260
7.4.1 引言 260
7.4.2 磁斯格明子 260
7.4.3 铁电极化斯格明子 268
7.5 磁性材料、铁电材料和多铁材料的拓扑性 272
7.5.1 二维材料的拓扑数和拓扑结构 273
7.5.2 六方多铁 YMnO3 中的拓扑畴结构 279
参考文献 284
第8章 量子材料序参量的协同测量与关联性研究 294
8.1 铋掺杂石榴石磁光材料中多重序参量的关联性研究 294
8.1.1 铋掺杂石榴石磁光材料的点阵序参量的测量 295
8.1.2 铋掺杂石榴石磁光材料的电荷和轨道序参量的测量 297
8.1.3 铋掺杂石榴石磁光材料的自旋序参量的测量 299
8.1.4 铋掺杂石榴石磁光材料的理论计算 301
8.1.5 小结 303
参考文献 304
8.2 高温超导铜氧化物中赝能隙态下的拓扑磁涡旋序 305
8.2.1 引言 305
8.2.2 赝能隙态下异常磁结构的理论预测 305
8.2.3 赝能隙态下时间反演对称性破缺的前期实验基础 307
8.2.4 赝能隙态下拓扑磁涡旋结构的发现 308
8.2.5 拓扑磁涡旋结构随外加磁场和外加温度场的演变 309
8.2.6 铜氧化物 YBa2Cu3O6+x 的拓扑磁涡旋相图的构建 311
8.2.7 拓扑序与电荷序的关联作用 312
8.2.8 小结 313
参考文献 313
8.3 自旋流器件 YIG-Pt 界面序参量的测量及关联性研究 315
8.3.1 自旋流器件性能与界面结构的关联性 315
8.3.2 Y3Fe5O12-Pt 自旋流器件界面原子结构的测量 316
8.3.3 Y3Fe5O12-Pt 自旋流器件界面成分和价态的测量 317
8.3.4 Y3Fe5O12-Pt 自旋流器件界面磁性的测量 319
8.3.5 小结 322
参考文献 323
8.4 LuFeO 中电子–晶格关联作用诱导点阵重构的实空间探测 324
8.4.1 LuFeO 中电子–晶格关联作用及衍生物态 324
8.4.2 LuFeO 中晶格重构的测量 325
8.4.3 LuFeO 中电子–晶格关联作用诱导的晶格重构 326
8.4.4 LuFeO 中电子–晶格关联作用诱导的晶格重构——探测实空间的电子态分布 329
8.4.5 小结 330
参考文献 330
8.5 BiFeO3 中极化拓扑结构的化学调控及外电场响应的关联性研究 331
8.5.1 铁酸铋中的极化拓扑结构 332
8.5.2 铁酸铋顶层结构的原子尺度序参量表征 335
8.5.3 拓扑结构的外电场响应 337
8.5.4 小结 338
参考文献 339
致谢 341