透射电子显微镜(TEM)和扫描透射电子显微镜(STEM)是表征固体材料微结构的重要工具，然而，这一工具在应用到有机无机杂化钙钛矿体系时遇到严重困难。众多实验显示，TEM和STEM中的电子束辐照会导致杂化钙钛矿结构的严重损伤，使得微结构的表征难以进行。最近，众多实验对TEM和STEM中杂化钙钛矿的结构损伤进行了仔细研究，然而，不同实验报道的损伤机制存在明显矛盾，特别是对300 keV左右电子束辐照，有实验认为，离化分解(Radiolysis)机制是损伤的主导机制，也有实验认为，原子撞击(Knock-on)机制是主导机制。另一方面，对于辐照损伤的过程，是有机阳离子先损伤还是无机框架先损伤，亦或是两者同时损伤，实验上也存在争议。
文章简介
近日，来自复旦大学微电子学院和华东师范大学物理与电子科学学院的合作团队，利用国产软件PWmat中GPU加速的分子动力学模块，模拟了不同能量的电子束辐照下CH3NH3PbI3中各种原子的Knock-on离位过程，揭示了电子束能量依赖的Knock-on离位损伤机制。该研究发现，在入射能量为2.3 keV的电子束辐照下，CH3NH3PbI3不会发生Knock-on离位损伤;当入射能量增加到2.3，26.4，70.4和249.4 keV，H，C，N和I原子的Knock-on离位损伤依次开始发生;然而，即使对于1 MeV入射能量，Pb原子也不会发生离位。实验上，过去有研究发现，5 keV或更高能量的电子束辐照会导致杂化钙钛矿的阴极发光光谱发生明显变化，而2 keV的电子束辐照仅导致很小变化，该模拟结果很好解释了这一现象。对于最近TEM实验中使用的300 keV高能量电子束辐照，该模拟结果表明，H，C，N和I原子的Knock-on离位会导致有机阳离子和无机框架都发生损伤，促使晶格同时失去CH3NH3和I离子，因此，Knock-on机制在300 keV的电子束辐照实验中应该发挥了重要作用，并且，有机阳离子和无机框架的损伤应该同时发生的。进一步的电子衍射图案模拟表明，晶格中失去部分CH3NH3和I离子后，电子衍射图案相似，因此，电子衍射表征难以区分CH3NH3和I离子失去的次序，在对损伤过程的表征分析上可能产生混淆。这些结果揭示了CH3NH3PbI3相关杂化钙钛矿材料在电子束辐射下的晶格损伤机制，为利用电镜技术表征其微结构奠定了基础。该文近期以编辑推荐的形式发布于《应用物理快报》上：Appl. Phys. Lett. 119, 123901 (2021)。
文献链接：Cai Z, Wu Y, Chen S. Energy-dependent knock-on damage of organic–inorganic hybrid perovskites under electron beam irradiation: First-principles insights[J]. Applied Physics Letters, 2021, 119(12): 123901.https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0065849
