Efficient nanoscale imaging of solid-state phase transitions by transmission electron microscopy demonstrated on vanadium dioxide nanoparticles
提出ADF-STEM作为高效无损纳米尺度工具监测固态相变，以二氧化钒纳米颗粒为例证明其通过低电子剂量实现清晰衬度成像，为快速大面积纳米尺度表征开辟前景。
2024-08-21 cond-mat.mtrl-sci
Microscopic contributions to the deviation from Amontons friction law
Czech Technical University in Prague（布拉格捷克理工大学）；University of Basel（巴塞尔大学）
研究MX₂单层在Au(111)和Ag(111)基底上摩擦行为，发现摩擦力与正压力非单调关系，表明纳米尺度摩擦定律失效，揭示多种滑动模式共存。
2026-04-08 cond-mat.mtrl-sci
The Potential of Ti$_3$C$_2$T$_X$ Nano-sheets (MXenes) for Nanoscale Solid Lubrication Revealed by Friction Force Microscopy
Ti $_3$ C $_2$ T $_X$纳米片（MXene）是一类新兴的二维材料，具有在从纳米到宏观的长度尺度上用于能量存储、催化和摩擦电应用的突出潜力。尽管对这类新材料的兴趣迅速增加，但它们的纳米级摩擦特性，特别是它们在纳米级上的固体润滑潜力，尚未得到详细研究。在这个简短的通信中，我们提出了第一个结果MXene的纳米级摩擦特性，在一个孤立的Ti $_3$ C $_2$ T $_x$纳米片上通过摩擦力显微镜沉积在二氧化硅衬底上获得的摩擦地图的形式。我们的实验表明，少层Ti $_3$ C $_2$ T $_x$纳米片确实在纳米级上充当固体润滑剂，减少二氧化硅基底上的摩擦，尽管不如少层石墨烯有效。本文报道的结果为进一步研究Ti $_3$ C $_2$ T $_X$（MXene）纳米片实现的纳米级固体润滑铺平了道路。
2020-05-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Friction force microscopy: a simple technique for identifying graphene on rough substrates and mapping the orientation of graphene grains on copper
在单原子厚度下，使用常规技术将石墨烯与其基底区分开是具有挑战性的。在本文中，我们表明，摩擦力显微镜（FFM）是一种简单而快速的技术，用于识别石墨烯的范围内的样品，从生长基板粗糙的绝缘体。我们表明，FFM是特别有效的表征生长在铜上的石墨烯，它可以关联的石墨烯生长的三维表面形貌和映射的石墨烯的晶体取向非破坏性，可重复性和高分辨率。我们预计FFM对于研究其他金属/局部结晶衬底（包括SiC）上的石墨烯生长以及研究其他二维材料（如二硫化钼和六方氮化硼）的生长同样有效。
2013-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Dynamic Multiband Microscopy: A Universal Paradigm for Quantitative Nanoscale Metrology
University of Duisburg-Essen（杜伊斯堡-埃森大学）；University of Tennessee（田纳西大学）；University of Cologne（科隆大学）；Pacific Northwest National Laboratory（太平洋西北国家实验室）
动态多波段显微镜通过多频激发与连续频率扫描，实现自主、高精度的纳米尺度计量，适用于铁电纳米纤维的3D极化映射。
2026-01-20 cond-mat.mtrl-sci
Deciphering the Nanoscale Frictional Properties of Two-Dimensional SnSe and SnSe$_2$ with Lateral Force Microscopy
本研究利用横向力显微镜探究二维SnSe与SnSe$_2$的纳米摩擦特性，发现二者润滑性能优于同厚度石墨烯，SnSe$_2$摩擦最低可达石墨烯的三分之一，该差异经DFT计算证实源于材料本征特性。
2024-10-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Multiscale study of the dynamic friction coefficient due to asperity plowing
宏观标称平坦表面在纳米级水平上是粗糙的，并且由纳米微凸体组成。因此，宏观粗糙表面的摩擦性能是由纳米粗糙接触副在剪切作用下的力学行为决定的。在这项工作中，我们首先使用分子动力学模拟来研究单接触对之间的非粘性剪切。随后，为了估计粗糙表面的摩擦系数，我们将单个接触对的摩擦行为实现为Greenwood-Williamson型统计模型。通过采用目前的多尺度方法，我们使用的尺寸，速率和取向的影响，这源于纳米级的位错塑性，以确定系统参数，如表面粗糙度和分离，加载速度和方向的宏观摩擦系数的依赖。我们的模型预测了一个非常规的依赖关系的摩擦系数上的正常接触载荷，这已被观察到在纳米级的摩擦测试。因此，该模型代表了在纳米级水平上理解一些相关的表面摩擦宏观现象的一步。
2020-11-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
The Band Excitation Method in Scanning Probe Microscopy for Rapid Mapping of Energy Dissipation on the Nanoscale
在纳米尺度上绘制能量转化途径和耗散，并了解局部结构对耗散行为的作用，是从电子和信息技术到高效能源生产等领域成像的一个挑战。在这里，我们开发了一种新的扫描探针显微镜（SPM）技术，其中的悬臂梁被激发和响应记录在一个频带的频率同时，而不是在一个单一的频率在传统的SPM。该带激励（BE）SPM允许在图像中的每个点（即传递函数）处非常快速地获取全频率响应，并且特别地使得能够通过确定采样系统的Q因子来直接测量能量耗散。BE方法证明力-距离和电压谱和磁耗散成像的灵敏度接近热机械极限。分析了边界元法对各种SPM的适用性，该方法有望普遍适用于所有环境和液体SPM。
2007-08-30 cond-mat.mtrl-sci
Nanoscale mechanics and ultralow Friction of natural 2D silicates: Biotite and Rhodonite
本文利用AFM和DFT计算对比研究了层状黑云母与链状蔷薇辉石的纳米力学及摩擦行为，发现黑云母虽粘附力和模量较低，但超薄片层具有约0.6×10⁻³的超低摩擦系数，为二维硅酸盐的力学与摩擦学应用设计提供了依据。
2025-08-27 cond-mat.mtrl-sci
Anisotropic Frictional Response of Texture Induced Strained Graphene
在纳米级器件的相对运动期间，折射引起的能量耗散阻碍了纳米级器件的性能。然而，一个巧妙设计的结构，利用石墨烯顶部可以调整摩擦力信号通过诱导局部应变。本工作报告了在从亚纳米级（P=40 nm）到四分之一微米（P= 250 nm）的不同节距长度的Si凹槽表面上的石墨烯的封盖。通过扫描探针技术、拉曼光谱和分子动力学（MD）模拟揭示了节距长度的变化在石墨烯中引起不同的应变。通过摩擦力显微镜在垂直和平行于槽轴的不同方向上利用C-C键在槽结构上的不对称应变。石墨烯的存在润滑的纹理化表面的因子为10和周期性耗散的摩擦力，这被认为是随机的裸露的表面。我们第一次提出了在平行于槽轴的波峰扫描上将润滑转化为超低摩擦力的20倍。这种各向异性被发现是微不足道的在裸织构系统，清楚地表明了摩擦力的应变依赖性调节。我们的研究结果适用于石墨烯和其他二维材料覆盖的波纹结构与可移动的组件，如NEMS，纳米级齿轮和机器人。
2021-05-07 cond-mat.mtrl-sci
Touching is believing: interrogating organometal halide perovskite solar cells at the nanoscale via scanning probe microscopy
基于CH3NH3PbI3和相关材料的卤化物钙钛矿太阳能电池已成为下一代光伏技术中最令人兴奋的发展，但涉及光载流子，离子缺陷，自发极化以及与众多晶粒，晶界和界面相互作用的分子振动和旋转的微观现象仍然没有得到充分的理解。事实上，仍然需要一种有效的方法来询问卤化物钙钛矿太阳能电池的局部光伏特性，一方面可以直接追溯到它们的微结构，另一方面与它们的器件性能相关。从这个角度来看，我们建议，扫描探针显微镜技术有很大的潜力，实现这样的承诺在纳米尺度，并强调一些最近的进展和挑战，沿着这条线的调查对本地探测的光电流，功函数，离子活动，极化开关，和化学降解。我们还强调了多模态成像、术中扫描、大数据分析和多学科合作的重要性，以便进一步研究充分理解这些复杂系统。
2017-09-18 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure and Elastic Constants of Transition Metal Dichalcogenide Monolayers from Friction and Shear Force Microscopy
化学气相沉积（CVD）法生长的二维过渡金属二硫属化合物（TMDC）的光学和电学性质在很大程度上取决于其微观结构。因此，空间结构变化的可视化对于未来的应用至关重要。在这里，我们展示了如何晶界，晶体取向和应变场可以明确地确定与组合的横向力显微镜（LFM）和横向剪切显微镜（TSM）的CVD生长的二硫化钨（WS2）单层，在长度尺度上是相关的光电应用。此外，角度相关的TSM测量使我们能够获得单层WS2的四阶弹性常数的实验。我们的研究结果有利于高通量和非破坏性的单层TMDC的微观结构可视化，洞察其弹性性能，从而提供了一个可访问的工具，以支持先进的光电子器件的发展，基于这样的二维半导体。
2019-08-21 cond-mat.mtrl-sci
High-pressure lubricity at the meso- and nanoscale
随着载荷的增加，滑动摩擦的增加是宏观世界中的经典现象。在这里，我们讨论的可能性，摩擦上升有时可能会变成下降时，在中尺度和纳米尺度，一个有限的润滑剂膜分离结晶滑块经历强烈的分层和固化。在压力下，从N到N-1层的过渡可能意味着结晶润滑剂的横向周期性的变化足以改变晶体结构的匹配，影响随后的摩擦跳变。当剪切梯度最大值从润滑剂中间（以具有或不具有剪切熔化的强粘滑为标志）切换到结晶滑动体-润滑剂界面（以平滑的超润滑滑动为特征）时，可能发生压力引起的摩擦下降。我们提出了高压滑动模拟显示摩擦下降的例子，表明它们可能与边界润滑中的局部行为相关。
2013-01-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Nanoscale Electronic Inhomogeneity in In2Se3 Nanoribbons Revealed by Microwave Impedance Microscopy
由于电荷、自旋、轨道和晶格自由度的相互作用，纳米级不均匀性已经成为多相边界附近具有新特性的材料的新主题。这些微观相在复杂金属氧化物和硫族化合物中得到了生动的展示，它们在高温超导体、巨磁电阻效应、相变存储器和畴开关操作等研究中具有重要的科学和技术意义。然而，这些局部相的介电性质的直接成像对现有的扫描探针技术提出了很大的挑战。在这里，我们报告的电子不均匀性的观察在铟硒（In 2 Se 3）纳米带的近场扫描微波阻抗显微镜。局部电阻率跨越六个数量级的多个相被确定为超晶格、简单六方晶格和非晶结构的共存，具有100 nm的不均匀长度尺度，与高分辨率透射电子显微镜研究一致。原子力显微镜兼容的微波探针能够以非侵入性的方式进行定量的次表面电子研究。最后，In_2Se_3纳米晶器件的相变存储功能可以用相反符号的大信号局部记录。
2009-02-13 cond-mat.mtrl-sci
Multifrequency Nanoscale Impedance Microscopy (m-NIM): A novel approach towards detection of selective and subtle modifications on the surface of polycrystalline boron-doped diamond electrodes
在本文中，我们描述了纳米阻抗显微镜（NIM）的修改，即结合接触模式原子力显微镜与局部阻抗测量。假设的方法是基于多频电压扰动的应用，而不是标准的逐频分析，其中包括提供更省时和准确的测定所得的阻抗谱与高空间分辨率。基于阻抗谱分析与适当的等效电路，它是可能的映射表面电阻和接触电容。以多晶重掺硼金刚石（BDD）电极为研究对象。最近的研究表明，这种电极暴露于氧化环境中可能会导致终止类型的修改，因此它是描述BDD的电学和电化学性质的关键因素。我们已经成功地应用了多频NIM，这使我们能够证明，终止类型的修改是选择性的，并发生在具有特定的晶体取向的晶粒上的不同倾向。此外，我们的方法能够检测甚至微妙的亚微观表面异质性，创建作为各种氧化处理的结果，并将它们与晶界处硼的局部分布相关的表面异质性区分开来。
2018-11-14 cond-mat.mtrl-sci
Quantitative piezoelectric force microscopy: Influence of tip shape, size, and contact geometry on the nanoscale resolution of an antiparallel ferroelectric domain wall
利用压电力显微镜（PFM）对铌酸锂中的反平行铁电畴壁结构进行了定量测量。对49个半径为10 ~ 300 nm的探针进行了PFM测量。跨畴壁的实验压电系数的大小和变化匹配的配置文件从一个全面的分析理论，以及三维有限元方法模拟计算。实验和理论的轮廓宽度之间的定量协议，只有当一个有限的磁盘类型的尖端半径，这是在真正的接触与样品表面被认为是一致的，这是与扫描电子显微镜图像的实际提示后成像。压电系数的大小被证明是独立的尖端半径，和PFM的轮廓宽度是线性成比例的尖端半径。最后，我们展示了一种方法来提取任何本征材料加宽的铁电壁宽。观察到20- 200 nm的令人惊讶的宽壁宽度。
2008-02-20 cond-mat.mtrl-sci
Nanoscale mapping of the full strain tensor, rotation and composition in partially relaxed In$_x$Ga$_{1-x}$N layers by scanning X-ray diffraction microscopy
应变和成分在半导体物理学中起着基础性的作用，因为它们是调整材料的电子和光学性质的手段，从而开发新器件。如今，以非破坏性的方式测量外延系统中的应变仍然是一个挑战，这在经常受到强烈应力的应变工程器件中变得特别重要。在这项工作中，我们展示了一个微观映射的应变和晶格取向的全张量通过扫描X射线衍射显微镜。我们开发了一种形式主义，以提取所有组件的应变和取向从一组扫描衍射测量和应用该技术的图案化的在$_x$镓$_{1-x}$ N双层研究应变弛豫和铟掺入现象。由于不同的铟含量和线程位错的贡献进行了分离和分析。
2022-03-28 cond-mat.mtrl-sci
Effect of wear particles and roughness on nanoscale friction
摩擦接触导致称为第三体的表面层的形成，该第三体由磨损颗粒和由其附聚物产生的结构组成。其在纳米尺度下的行为和性质控制着宏观摩擦学性能。众所周知，磨损颗粒和表面形貌随着时间的推移而演变，并且相互影响。然而，成熟的第三个身体的形成在很大程度上是未知的领域，其早期阶段的属性是未知的。在这里，我们展示了如何第三个机构最初组成的颗粒作为滚子轴承过渡到剪切带状的状态，通过形成颗粒之间的粘合剂桥。使用大规模的脆性模型材料的原子模拟，我们发现，这种转变是由增长和增加无序的颗粒随着滑动距离的增加。滑动阻力和磨损率首先由表面粗糙度控制，但是根据Bowden和Tabor的塑性接触理论，在团聚磨损停滞并且摩擦变得仅取决于实际接触面积。
2022-01-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Quantitative Nanoscale Mapping of Three-Phase Thermal Conductivities in Filled Skutterudites via Scanning Thermal Microscopy
在过去的二十年中，纳米结构范例已成功地应用于广泛的热电材料中，导致热导率显著降低和优异的热电性能。然而，这些进展已经完成，没有直接调查的本地热电性能，即使本地电流可以映射具有高空间分辨率。事实上，目前还缺乏一种有效的方法将宏观热电性能与局部微观结构和性能联系起来。在这里，我们表明，局部热导率可以定量映射，具有良好的精度，纳米分辨率，和一对一的对应关系的微观结构，使用三相方钴矿作为模型系统。结合有限元模拟的扫描热显微镜显示样品的电导率和探针电阻之间的密切相关性，使我们能够区分跨越数量级的热导率，但解决整个相界面的热变化与小的对比度。因此，该技术提供了一个强大的工具，以关联局部的热导率，微观结构和宏观性质的纳米结构材料一般，特别是纳米结构热电。
2017-05-08 cond-mat.mtrl-sci
Effect of thermal annealing on the heat transfer properties of reduced graphite oxide flakes: a nanoscale characterization via scanning thermal microscopy
本文报道了用扫描热显微镜（SThM）研究还原氧化石墨（RGO）薄片的热性质。这种技术被证明允许热表征的薄片与几十纳米的顺序的空间分辨率，同时记录纳米级的形貌。通过SThM分析几个单独的RGO薄片，这两者都是在常规热还原之后和随后在1700°C下退火之后获得的。原始和退火薄片之间的热图中观察到显着差异，反映退火RGO薄片与原始的相比更高的散热。这一结果与RGO结构缺陷的减少有关。特别是，通过X射线光电子和拉曼光谱证明了退火后氧化基团和sp3碳的大量减少，而通过X射线衍射证明了结晶顺序的增加，在沿着和垂直于石墨烯平面的较高相关长度方面。本文提出的结果为石墨烯相关材料的缺陷与其热导率之间的定性相关性提供了实验证据，这对于将这些材料开发成导热纳米复合材料显然至关重要。
2016-09-15 cond-mat.mtrl-sci
Scanning Thermo-ionic Microscopy: Probing Nanoscale Electrochemistry via Thermal Stress-induced Oscillation
电化学材料发展面临的一个普遍挑战是我们缺乏对10-100 nm范围内局部长度尺度的物理和化学过程的理解，而获得这种理解需要新一代成像技术。在这篇文章中，我们介绍了扫描热离子显微镜（STIM）探测局部电化学在纳米尺度上，用于成像的Vegard应变通过热应力激发。由于离子振荡是由应力而不是电压驱动的，因此响应对机电、静电和电容效应不敏感，并且它们不受全局电流扰动的影响，从而使操作中测试成为可能。
2017-09-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Nanoscale magnetization and current imaging using scanning-probe magneto-thermal microscopy
磁显微镜结合了纳米级的空间分辨率与皮秒级的时间分辨率，独特的时空磁现象，是相关的未来高速，高密度磁存储和逻辑技术的直接观察。结合这些指标的磁显微镜仅限于设施级仪器。为了解决这一差距，在实验室可访问的时空成像，我们开发了一个时间分辨近场磁显微镜的基础上磁热相互作用。我们展示了磁化和电流密度成像模式，每个空间分辨率远远超过光学衍射极限。此外，我们研究了我们的信号的近场和时间分辨特性，发现我们的仪器具有100 nm尺度的空间分辨率和低于100 ps的时间分辨率。我们的研究结果表明，一个访问和相对低成本的方法，以纳米级时空磁显微镜在桌面的形式，以帮助科学和技术的动态磁器件与复杂的自旋纹理。
2021-02-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Scanning tunneling microscopy and spectroscopy of nanoscale twisted bilayer graphene
纳米级扭曲双层石墨烯（TBG）是非常不稳定的，并且会以低得多的能量将其结构转变为Bernal（或AB堆叠）双层。因此，纳米TBG的缺乏使其电学性质至今无法在实验中得到验证。在这项工作中，一个特殊的限制TBG中获得的两个连续的错位石墨烯片的重叠区域。TBG的受限区域的宽度从约22 nm逐渐变化到0 nm。利用扫描隧道显微镜，我们仔细研究了纳米TBG的结构和电子性质。我们的结果表明，纳米级TBG的平移对称性破缺对低能电子性质（包括扭转诱导的范霍夫奇异性（VHS）和局域态密度的空间调制）产生了强烈的影响。然而，当TBG的宽度减小到只有一个莫尔斑时，VHS能量以上的电子性质几乎不受量子限制的影响。
2017-07-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Characterization of nanoscale mechanical heterogeneity in a metallic glass by dynamic force microscopy
我们报道了用动态原子力显微镜表征的金属玻璃的纳米尺度力学不均匀性。表观能量耗散的变化约为12%，源于局部粘弹性的非均匀分布，其特征在于。非均质粘弹性的相关长度被测得为~2.5{ \pm }0.3 nm，这与塑性流动的剪切转变区的尺寸是一致的。该研究首次对金属玻璃中纳米尺度的力学不均匀性进行了实验观察，并可能填补原子模型与金属玻璃宏观性质之间的空白。
2011-02-28 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Nanoscale Structure and Energy Dissipation Behaviour of Tungsten Disulphide and Gold Nanoparticles and Nanoclusters Investigated by Advanced Microscopy Techniques
在这项研究中，纳米二硫化钨（WS 2）和纳米金（Au）的纳米颗粒的纳米结构和相关的能量耗散行为进行了研究，通过先进的扫描探针和电子显微镜技术。采用范德华粘附转移沉积机理在硅衬底上沉积了WS 2纳米颗粒。在硅衬底上制备了三种尺寸的金纳米粒子模板：紧密堆积（4- 6 nm）、分散良好（120- 150 nm）和团簇（120-150 nm）。利用原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对WS 2和Au纳米粒子和纳米微粒的微观结构、形貌、形貌和相变进行了表征。SEM和TEM观察表明，WS 2纳米颗粒为原子取向的层状-六方结构或无机石墨状结构。在轻敲模式AFM成像中，重复扫描WS 2纳米颗粒导致纳米层的层间运动。结果表明，Au纳米粒子的聚集导致了更大的相移和更高的能量耗散，而紧密堆积的Au纳米粒子导致了最低的相移和能量耗散。利用SXM软件分析了纳米材料的微观结构、形貌、形貌和相位移。纳米尺度的研究表明，相移和能量耗散受样品的几何和机械梯度的影响。
2013-11-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Quantitative Measurements of Nanoscale Permittivity and Conductivity Using Tuning-fork-based Microwave Impedance Microscopy
我们报告了使用基于音叉（TF）的微波阻抗显微镜（MIM）对纳米级介电常数和电导率的定量测量。该系统工作在驱动调幅模式下，保证了对粗糙表面样品良好的反馈稳定性。在一系列体波导上解调的MIM信号与有限元分析的模拟结果吻合得很好。使用TF-MIM，我们已经可视化的背栅$MoS_2$场效应晶体管的纳米电导的演变，结果与输运数据是一致的。我们的工作表明，介观电学性质的定量分析可以实现近场微波成像与小距离调制。
2018-03-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Nanoscale Non-Destructive Ferroelectric Characterization with Non-Contact Heterodyne Electrostrain Force Microscopy
从真实空间中观察纳米尺度的铁电现象对于揭示铁电物理具有重要意义。在过去的几十年里，纳米铁电体的表征主要依靠压电响应力显微镜（PFM），然而PFM的基本局限性使得纳米铁电体的研究遇到了重大的瓶颈。本文首先介绍了一种高分辨率的非接触式铁电测量技术--非接触式外差电应变力显微镜（NC-HEsFM）。它已被明确证明，NC-HEsFM可以操作多个本征模式，以执行理想的高分辨率铁电畴映射，标准的铁电磁滞回线测量和可控的域操作。采用石英音叉（QTF）传感器和外差探测技术，NC-HEsFM在实现真正的非接触、无损铁电表征方面表现出前所未有的能力，且静电力效应可以忽略不计。据信，NC-HEsFM可以广泛地用于各种铁电或压电研究，提供显著改善的表征性能。同时，基于QTF的力检测使得NC-HEsFM高度兼容高真空和低温环境，为实现超高空间分辨率以研究最本质的铁电现象提供了理想的条件。
2021-05-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Time-resolved x-ray microscopy for materials science
本综述介绍了作为材料研究纳米尺度成像工具的时间分辨X射线显微术的发展背景、大装置升级带来的技术突破与科研机遇，以及其在凝聚态物理与材料科学领域的最新进展和展望。
2018-11-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Operando Electron Microscopy of Nanoscale Electronic Devices on Non-Conductive Substrates
针对非导电衬底上纳米电子器件原位电子显微镜研究的挑战，提出通用工作流程，通过引入图案化绝缘屏障实现薄膜电容器无结构改变的样品制备，案例验证其保留原子尺度边界条件敏感畴翻转，为复杂薄膜系统原位研究奠基。
2025-08-17 cond-mat.mtrl-sci
Exploring Nanoscale Ferroelectricity in Doped Hafnium Oxide by Interferometric Piezoresponse Force Microscopy
基于氧化铪（HfO 2）的铁电体由于其与传统硅CMOS技术的兼容性、高可切换极化、良好的耐久性和厚度可扩展性而为存储器和逻辑器件提供了显著的前景。这些因素导致在过去几年中对这类材料的研究急剧上升。与此同时，只有少数报告的直接传感纳米铁电性能存在，许多问题仍然存在关于这些材料中的铁电性的出现。虽然压电响应力显微镜（PFM）非常适合探测纳米尺度上的压电和铁电性，但众所周知，它会受到人为因素的影响，使结果的定量解释复杂化，甚至可能导致非铁电材料中的铁电性。在本文中，我们探讨了使用一种改进的PFM方法的基础上干涉位移传感（IDS）的裸硅掺杂HfO 2纳米铁电性研究的可能性。我们的研究结果表明，在本地的各种HfO 2微晶的残余状态与报告值的压电耦合在0.6-1.5 pm/V的范围内的一个明显的差异。此外，我们报告不寻常的铁电极化开关，包括可能的贡献，从电致伸缩和Vegard效应，这可能表明氧空位或界面效应的影响出现的纳米级铁电性HfO 2。
2020-04-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Nanoscale Thermotropic Phase Transitions Enhance Photothermal Microscopy Signals
光热外差成像技术使得能够研究各种环境中的单个弱吸收纳米物体。它利用环境折射率的光致变化。利用发生在热致液晶相变周围的折射率的戏剧性变化，我们证明了40倍的信噪比增强的金纳米粒子在4-氰基-4 '-戊基联苯（5 CB）液晶中成像超过那些在水环境中。我们研究了光热信号作为探测激光偏振，加热功率和样品温度的函数量化的最佳增强。这项研究建立了光热显微镜作为一种有价值的技术，诱导和/或检测局部相变在纳米尺度。
2012-09-26 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Polaronic Contributions to Friction in a Manganite Thin Film
本文通过锰氧化物薄膜的摩擦力显微镜研究，提出滑动接触中的粘滑脉冲经电子-声子耦合形成Jahn-Teller极化子并被声子浴阻尼，从而解释高温相摩擦增加，为调和摩擦机制争议及控制摩擦提供新思路。
2020-09-25 cond-mat.mtrl-sci
Nanoscale Electric Phenomena at Oxide Surfaces and Interfaces by Scanning Probe Microscopy
扫描探针显微镜用于研究和量化两类氧化物系统中的纳米级电学现象，即电活性晶界处的输运和铁电材料的表面行为。结合传统SPM的空间分辨率和常规电学测量的精度，发展了扫描阻抗显微镜（SEM）来研究界面的电容和局部C-V特性。SPM的SrTiO 3晶界结合变温阻抗谱和I-V测量允许找到和理论上证明电场抑制钛酸锶中的电活性界面附近的介电常数的影响。类似的方法被用来研究铁电性能和交流和直流输运行为在一些多晶氧化物。第二部分研究了局域电荷密度对铁电表面化学和物理性质的影响。用变温SPM法测定了吸附的动力学和热力学参数。压电响应力显微镜用于铁电表面上的畴图案的工程。铁电表面的局域光化学活性是一种新的制备金属纳米结构的工具。
2002-09-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Fluctuation-induced quantum friction in nanoscale water flows
到目前为止，碳纳米通道中的水的流动一直没有得到理解，积累了超低摩擦，异常高的水流速和曲率依赖的流体动力学滑动的实验证据。这些独特的性能引起了人们对用于脱盐、分子筛和能量收集的碳基膜的极大兴趣。然而，水-碳摩擦的机制仍然未知，无论是目前的理论，也没有经典或从头分子动力学模拟提供令人满意的合理化，其奇异行为。在这里，我们开发了一个量子理论的固体-液体界面，它揭示了一个新的贡献摩擦，由于在液体中的电荷波动耦合到固体中的电子激发。我们认为这种量子摩擦是水在碳基材料上的主要摩擦机制，而这种摩擦在玻恩-奥本海默分子动力学中是不存在的。作为一个关键的结果，我们证明了水-石墨烯和水-石墨界面之间的量子摩擦的显着差异，由于水德拜集体模式与石墨特定的热激发等离子体的耦合。这表明了碳纳米管中水的半径依赖性滑移的解释，根据纳米管的电子激发。我们的发现开辟了一条道路，量子工程的流体力学流动通过限制壁的电子特性。
2021-09-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Resolving Local Electrochemistry at the Nanoscale via Electrochemical Strain Microscopy: Modeling and Experiments
电化学是各种能量转换和存储系统中的基本机制，并且众所周知，活性界面附近的电化学材料的组成、结构和性质通常显著且不均匀地偏离本体性质。电化学系统的发展面临的一个普遍挑战是我们缺乏对局部长度尺度的物理和化学速率的理解，而最近开发的电化学应变显微镜（ESM）提供了一种有前途的方法来探测有关潜在电化学机制的关键局部信息。在这里，我们开发了一个计算模型，耦合相关的ESM实验的力学和电化学，其目标是使电化学过程下的带电扫描探针的定量分析。我们表明，该模型捕捉到了一些不同的ESM实验的本质，使得它可以通过结合ESM映射，光谱和弛豫研究去卷积局部离子浓度和扩散率。通过ESM实验和计算的结合，可以深入了解纳米尺度下的局部电化学。
2018-02-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Phase-resolved imaging of edge-mode spin waves using scanning transmission x-ray microscopy
我们已经成像的小振幅自旋波本征模的激发，局部在$\sim$ 100 nm的纳米级镍$_{81}$铁$_{19}$椭圆的顶点，使用时间分辨扫描透射X射线显微镜（STXM）在2 GHz和分辨率为70 nm。利用埋层的STXM的灵敏度，我们发现，在两个顶点的磁化旋进的变化，从主要同相到异相的样品，并没有一个导电层沉积在椭圆。作为一个合理的解释，在相位反转，我们建议，意想不到的强奥斯特场产生的不连续的覆盖层，虽然不能完全排除边缘粗糙度的影响。结果表明，STXM的能力，以图像小振幅，GHz的磁化动力学与潜在的映射射频磁场的纳米尺度。
2016-10-02 cond-mat.mtrl-sci
Why ice is so slippery
University of Oslo（奥斯陆大学）；Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院兰州化学物理研究所）；Forschungszentrum Jülich（于利希研究中心）；MultiscaleConsulting
通过第一性原理纳米尺度模拟和摩擦加热宏观模型，揭示了冰的滑性源于摩擦加热导致接触温度升至熔点，而非单纯纳米尺度效应。
2026-10-08 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Mapping Intrinsic Electromechanical Responses at the Nanoscale via Sequential Excitation Scanning Probe Microscopy Empowered by Deep Data
不断增长的硬件能力和计算能力已经使得在纳米级常规上获取和分析大科学数据，尽管所获取的大部分数据通常被证明是冗余的，嘈杂的，和/或与感兴趣的问题无关，并且从纯数据分析中得出清晰的机械见解仍然是不平凡的。在这项工作中，我们使用扫描探针显微镜（SPM）作为一个例子来展示深度数据方法，从数据挖掘，相关性分析和无监督分类等蛮力分析过渡到建立在合理的物理理解基础上的知情和/或有针对性的因果数据分析。提出了这种深度数据分析的三个关键要素。首先采用顺序激发扫描探针显微镜（SE-SPM）技术来获得高质量，高效和物理相关的数据，这可以很容易地实现任何标准的原子力显微镜（AFM）。然后使用简谐振荡器（SHO）模型进行蛮力物理分析，使我们能够获得感兴趣的内在机电耦合。最后，主成分分析（PCA）进行，这不仅加快了四个数量级的分析，但也允许一个清晰的物理解释，其模式结合SHO分析。一个粗糙的压电材料已经使用这种策略进行了探索，使我们能够映射其内在的机电性能在纳米级与高保真度，传统的方法失败。SE结合深度数据方法可以很容易地适用于其他SPM技术，以探测纳米级的各种功能现象。
2018-08-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
High speed nanotribology with quartz crystal resonators via Atomic Force Microscopy
在每秒数米范围内的摩擦力测量仍然很有意义。利用原子力显微镜（AFM）研究了谐振频率为3 MHz的石英晶体谐振器的振荡情况。振荡速度可达几米/秒。然后在石英晶体谐振器上制备的Fischer图形上进行摩擦测量。本文介绍了如何测量石英晶体谐振器的振荡速度和不同设计下的摩擦测量。详细讨论了标定方法和计算方法。虽然由于装置本身和振荡石英的影响，AFM测量中存在误差，这可能会极大地影响悬臂梁尖端的锋利度，但结果表明，振荡的局部摩擦系数高于无振荡的局部摩擦系数。
2013-12-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Nanotribological characterization of industrial Polytetrafluorethylene-based coatings by atomic force microscopy
我们提出了一个系统的研究结果，工业聚四氟乙烯（PTFE）基涂层的摩擦学性能进行了原子力显微镜。一个新的表征协议允许可靠和定量评估的摩擦系数和粘附力在亚微米级，即使是高度瓦楞工业样品。对不同添加剂的聚四氟乙烯涂料在干燥和潮湿环境下的性能进行了研究和比较。使用标准氮化硅尖端作为滑块在低负荷制度的添加剂和湿度的摩擦系数和粘附力的影响进行了研究。
2002-06-21 cond-mat.mtrl-sci
Nanoscale-femtosecond dielectric response of Mott insulators captured by two-colour near-field ultrafast electron microscopy
表征和控制纳米结构莫特绝缘体的非平衡态对新兴的量子技术有很大的希望，同时为研究强相关系统的基础物理提供了一个令人兴奋的场所。在这里，我们使用双色近场超快电子显微镜光诱导的绝缘体到金属的过渡在一个单一的VO 2纳米线和探测随之而来的电子动力学结合纳米飞秒分辨率。我们利用飞秒时间门控的电子脉冲介导的红外激光脉冲，并利用非弹性电子-光散射的敏感性，在材料的介电函数的变化。通过空间映射的近场动力学的一个单独的纳米线的VO 2，我们观察到，超快的光掺杂驱动系统在约150 fs的时间尺度上的金属状态，而不会扰动晶格。由于电子探针的高通用性和灵敏度，我们的方法将允许捕获具有最终时空分辨率的各种纳米级材料的电子动力学。
2020-06-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Simultaneous mapping of magnetic and atomic structure for direct visualization of nanoscale magnetoelastic coupling
本文提出利用洛伦兹四维扫描透射电子显微镜同步成像纳米尺度磁场与原子结构，实现磁弹性耦合的直接可视化，为研究磁性材料结构-性能关联开辟新途径。
2024-03-13 cond-mat.mtrl-sci
Table-top Measurement of Local Magnetization Dynamics Using Picosecond Thermal Gradients: Toward Nanoscale Magnetic Imaging
纳米磁性的最新进展已经证明了基于自旋的技术的潜力，包括磁性随机存取存储器，纳米微波源和超低功率信号传输。未来的工程进展和新的科学发现将使研究工具能够检查局部磁化动力学的长度和时间尺度的基本磁系统的时空变化-通常为10 - 200纳米和5 - 50 ps。一个关键的问题是，目前的台式磁显微镜不能同时访问这两个尺度。在这封信中，我们介绍了一个时空磁显微镜，利用磁热电相互作用，通过时间分辨的异常能斯特效应（TRANE）来测量局部磁化。通过产生短暂的局部热梯度，将磁矩转换为电信号。实验上，我们表明，TRANE显微镜的时间分辨率低于30 ps和空间分辨率的热激发区域的限制。此外，我们提出的数值模拟表明，热斑的大小设置的空间分辨率的限制，即使在50 nm。用于TRANE显微镜的热效应对它们的空间分辨率没有根本的限制，因此未来的TRANE显微镜采用扫描等离子体天线可以测量纳米尺度的磁动力学。
2015-02-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Deep Learning Enabled Nanoscale X-ray Photoemission Electron Microscopy (nanoXPEEM)
Machine Learning Initiative, SLAC National Accelerator Laboratory（机器学习倡议，斯坦福直线加速器中心）；Linac Coherent Light Source, SLAC National Accelerator Laboratory（线性相干光源，斯坦福直线加速器中心）；SLAC National Accelerator Laboratory（斯坦福直线加速器中心）
本文提出基于深度学习的nanoXPEEM技术，通过自动校正像差实现纳米级分辨率，提升二维材料表征能力。
2025-12-19 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Piezo-generated charge mapping revealed through Direct Piezoelectric Force Microscopy
虽然压电体和铁电体在许多日常应用中发挥着关键作用，但仍有许多与这些材料的物理学相关的未决问题。为了促进对压电和铁电的理解，并为未来的应用铺平道路，这些材料的纳米级表征是必不可少的。有鉴于此，我们已经开发了一种新的AFM为基础的模式，获得直接定量分析的压电系数d33。这种纳米级工具能够检测和揭示通过在压电和铁电材料表面的直接压电效应产生的压电电荷。我们报告的第一个纳米级的图像中产生的电荷在一个厚的单晶周期性极化铌酸锂（PPLN）和铋铁氧体（BiFO 3）薄膜通过施加一个力，并记录由材料产生的电流。PPLN和BFO的d33系数的定量分别为13 ± 2 pC/N和46 ± 7 pC/N，与文献中报道的值一致。这种新的模式可以与PFM模式同时工作，为铁电和压电材料的机电和压电电荷产生特性提供了一个强有力的工具。
2016-09-14 cond-mat.mtrl-sci
Nanoscale imaging of antiferromagnetic domains in epitaxial films of Cr2O3 via scanning diamond magnetic probe microscopy
我们报道了用金刚石氮空位显微镜直接成像磁电外延Cr2O3薄膜中与反铁磁畴相关的边界磁化。我们发现了磁畴尺寸和结构晶粒尺寸之间的相关性，我们与畴形成过程。我们进行了场冷却，即，在存在磁场的情况下从高于Néel温度冷却到低于Néel温度，这导致选择两个另外简并的180度畴中的一个。由于Cr2O3膜中的弱寄生磁矩的塞曼能量（Zeeman energy），这种简并性的提升可以单独用磁场来实现，所述弱寄生磁矩源于缺陷和相对界面的边界磁化的不平衡。该边界磁化耦合到反铁磁序参量，使得能够选择其取向。纳米结构的Cr2O3薄膜的台面结构揭示了可逆的边缘磁状态与磁场的方向在现场冷却。
2023-01-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
AI-enabled Lorentz microscopy for quantitative imaging of nanoscale magnetic spin textures
针对洛伦兹透射电子显微镜原位数据定量表征难的问题，提出融合生成式深度图像先验与成像正演模型的AI相位恢复方法，仅需单张离焦图像，准确性和抗噪性更优，可分离样品异质性与磁衬度，支持近实时定量磁成像。
2023-07-18 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
Accurate Evaluation of Nanoscale Spatiotemporal Dynamics with Electron Correlation Microscopy
University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本研究针对电子关联显微镜（ECM）的误差问题，提出了ECM专属的强度归一化框架，经模拟和实验验证，可准确评估纳米时空动力学并纠正旧框架的分类错误。
2026-08-13 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Sub-10 nm Probing of Ferroelectricity in Heterogeneous Materials by Machine Learning Enabled Contact Kelvin Probe Force Microscopy
将铁电材料的尺寸减小到纳米级对铁电极化模式和切换极化的能力具有强烈的影响。随着铁电畴的尺寸缩小到纳米尺度，极化模式的异质性变得越来越明显，从而使纳米晶和纳米复合材料中的各种可能的极性织构成为可能。理解这些材料的基本物理以及它们在电子纳米器件中的应用的关键是能够以非破坏性的方式在纳米尺度上研究它们的铁电极化。我们表明，接触开尔文探针力显微镜（cKPFM）结合k-均值响应聚类算法，使测量的铁电响应在8 nm的映射分辨率。在硅上的钛酸钡薄膜组成的四角和六角纳米晶体，我们确定离散的铁电响应集群的纳米级横向分布，完全符合由透射电子显微镜确定的纳米结构。此外，我们将这种数据聚类方法应用于在不同温度下测量的cKPFM响应，这使得我们能够随着居里温度的接近和跨越相变而跟踪偏振模式的相应变化。这项工作开辟了映射复杂的铁电极化纹理，如卷曲/漩涡极性纹理，可以稳定在外延异质结构和更一般地映射任何空间高度异质铁电材料的极性域分布的前景。
2023-03-17 cond-mat.mtrl-sci
Sliding on a Nanotube: Interplay of Friction, Deformations and Structure
单个碳纳米管（CNTs）的摩擦性能进行了研究，通过滑动的原子力显微镜针尖横跨和沿其主轴。这种方向相关的摩擦行为被发现与结构缺陷，表面化学，和CNT手性的存在强烈相关。这项研究表明，它是实验上可以调整的CNT的摩擦/粘附性能，通过控制CNT的结构和表面化学，以及使用摩擦力来预测其结构和化学性质。
2013-06-07 cond-mat.mtrl-sci
Direct Probing of Polarization Charges at the Nanoscale
铁电材料具有可用于多种应用的自发极化。由于长期以来对器件尺寸的不断减小，铁电材料和器件的制备正进入纳米尺度。因此，为了评估铁电性，需要研究纳米尺度下的极化电荷。尽管如此，它已被普遍接受，使用传统的导电原子力显微镜（CAFM）没有顶部电极的极化电荷的检测是不可行的，因为纳米级半径的原子力显微镜（AFM）的尖端产生一个非常低的信噪比。然而，检测与AFM针尖的半径无关，实际上，是切换区域的问题。在这项工作中，我们证明了直接探测的极化电荷在纳米级使用的正向上负向下的方法的基础上，传统的CAFM方法，没有额外的校正或电路，以减少寄生电容。我们成功地探测到73.7和119.0 μ C/cm 2的铁电纳米电容器和薄膜的极化电荷密度，分别。研究结果表明了在纳米尺度下评价极化电荷的可行性，为在纳米尺度下评价铁电性提供了新的指导。
2017-11-21 cond-mat.mtrl-sci
Fast and direct visualization of piezo-generated charges at the nanoscale using direct piezoelectric force microscopy
命名的表面电荷刮擦机制是在2014年通过使用一种新的基于原子力显微镜（AFM）的模式（称为电荷梯度显微镜）发现的。探测这种机制的测量是通过使用电流-电压转换器：跨阻放大器（TIA）来实现的。然而，使用一个不正确的近似，称为增益带宽产品（GBWP）计算TIA带宽（BW）可能会误导到一个不正确的数据解释。通过在比允许频率更高的频率下进行测量，放大器在其作为电荷-电压转换器的条件下被用作电流-电压转换器。在这篇手稿中，我们报告了相同电子电路拓扑结构的传递函数有效的特定条件，同时我们发现了已发表数据中的振铃和不稳定放大器伪影。最后，我们在类似的条件下进行物理测量，但完全尊重系统的带宽（BW）。我们发现，收取的费用远低于此类出版物中报告的值，从而减少甚至抵消了可能的费用报废机制的影响。这些发现铺平了道路，采用直接压电力显微镜（DPFM）作为一种快速的铁电纳米级表征工具。
2018-09-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Molecular Dynamics Simulations of Nanoscale Friction on Illite Clay: Effects of Solvent Salt Ions and Electric Double Layer
本文通过分子动力学模拟研究伊利石粘土表面滑动摩擦，揭示单价与二价盐离子及双电层结构对摩擦行为的不同影响，为设计环保粘土稳定剂提供新框架。
2025-07-04 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.geo-ph
Friction as Contrast Mechanism in Heterodyne Force Microscopy
在纳米尺度上对亚表面结构进行无损成像一直是科学和工业界长期以来的愿望。到目前为止，已经发表了一些令人印象深刻的图像，证明了将超声波与原子力显微镜相结合的一般可行性。从不同的激发方案，外差力显微镜似乎是最有前途的候选人提供最高的对比度和分辨率。然而，物理对比机制是未知的，从而阻止了对样品的任何定量分析。在这里，我们表明，在样品内的材料边界处的摩擦是负责的对比度的形成。这一结果是通过执行一个完整的定量分析，其中我们比较我们的实验观察到的对比与模拟和计算。令人惊讶的是，我们可以排除所有其他普遍认为的负责任的机制，如瑞利散射，样品（粘）弹性，超声尖端运动的阻尼，和超声衰减。我们的分析描述铺平了道路，定量亚表面AFM成像。
2016-02-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
