Ultramicroscopy | 使用STEM、EELS和电子叠层成像制备和表征单层六方氮化硼（hBN）中的硼端基四空位

核心发现：通过电子束辐照在单层六方氮化硼（hBN）中可控制备硼端基四空位，形成三角形纳米孔，其静电势可用于选择性离子传输等应用。

研究背景：二维材料缺陷工程是调控性能的关键；hBN纳米孔在过滤和传感中应用广泛，但控制缺陷边缘终止（硼或氮）仍是核心挑战。

技术路线与原理：使用扫描透射电子显微镜（STEM）、电子能量损失谱（EELS）和电子叠层成像（ptychography），通过电子束诱导空位缺陷，并利用Z衬度识别边缘终止，结合光谱和成像分析缺陷原子结构。

【图1整体】这张图展示了单层六方氮化硼（hBN）中经预处理产生的空位缺陷分布，为后续扫描透射电子显微镜（STEM）操纵与分析提供基础。

图1a：采用HAADF-STEM survey模式在低剂量率（~10⁵ e/nm²/s）下扫描，观察到hBN中多种空位缺陷，根据Z对比度（氮原子比硼原子更亮）区分氮终止（蓝色圈）、硼终止（橙色圈）和混合边缘终止（粉色圈）的三角形或六边形缺陷，表明低剂量扫描下缺陷生长偏好氮终止。

图1b：高放大倍率HAADF-STEM图像显示一个单空位缺陷，在高剂量率下获取，并覆盖边缘原子模型，确认该缺陷为硼终止，模型示意了原子近似位置。

图1c：高放大倍率HAADF-STEM图像展示一个四空位缺陷，同样在高剂量率下获取并覆盖原子模型，显示为硼终止的较大缺陷结构。

【图2整体】这张图展示了使用STEM-EELS谱成像技术探测硼终止缺陷，并通过NNMF分析揭示了前峰特征的空间分布。

图2a：采用硼K-edge EELS谱成像对硼终止的四空位进行分析，聚焦光谱的π*区域，比较了缺陷与整体单层的信号。光谱归一化至σ*峰，发现缺陷处存在一个独特的前峰特征（红色虚线标记），其能量相对于整体单层的π*峰（灰色虚线）发生移动，揭示了缺陷导致的电子结构变化。

图2b：对应的HAADF-STEM图像提供了硼终止四空位的原子级结构形貌，为EELS谱成像的空间定位提供了直观参考，显示了缺陷在原子尺度上的分布。

图2c：通过非负矩阵分解（NNMF）处理谱图像，获得前峰特征的得分图。图中亮绿色像素指示前峰的存在，其空间分布精确映射到缺陷周边，该图被用作掩模来提取缺陷和整体单层的光谱数据。

【图3整体】通过电子ptychography和原子位置测量，深入揭示单层六方氮化硼（hBN）中硼终止四空位缺陷的微观结构和键合特性。

图3a：采用电子ptychography技术对单层hBN中的硼终止四空位缺陷进行三维重建，展示了三个独立缺陷的ptychographic图像并叠加原子图。通过迭代高斯分布拟合方法确定原子坐标，图像清晰呈现三角形四空位的边缘原子排列，直接可视化缺陷形状和硼原子终止的边缘组成，为硼终止结论提供了高分辨率结构证据。

重建结果证实缺陷区域原子位置精确可测，支持后续定量分析。

图3b：基于ptychography重建数据，测量缺陷边缘硼和氮原子的精确位置，并用虚线标出三角形四空位角区硼原子间的距离。平均B–B距离为(1.9 ± 0.1) Å，显著短于完整晶格中的2.5 Å。

这种收缩归因于结构弛豫后角区硼原子形成直接键合，与HAADF-STEM观测一致，表明缺陷引起局部晶格畸变，可能由扫描过程中的电荷效应导致，尤其对Defect #2变形更明显。

整体写作思路：作者先通过低剂量扫描在hBN中产生缺陷分布，然后使用高分辨率成像和光谱技术详细表征硼端基四空位，最后与文献比较讨论边缘终止条件与应用潜力。

创新点：首次在超高真空和特定剂量率下制备硼端基四空位；综合应用多种先进表征技术揭示缺陷原子结构和电子性质；深化对电子束诱导缺陷机制的理解。

核心贡献与意义：实现了单层hBN中硼端基四空位的精确制备与多尺度表征，为基于二维材料纳米孔的功能器件设计提供基础。

未来展望：未来可探索这些可控纳米孔在离子选择性过滤和神经形态计算等领域的实际应用性能。