有机–无机卤化物钙钛矿（如 MAPbI?）凭借其优异的综合性能，被广泛视为下一代太阳能电池的关键材料。然而，其商业化进程仍受长期稳定性不足这一核心瓶颈制约。在钙钛矿稳定性研究中，边缘与缺陷结构被认为对材料的结构稳定性和器件寿命起着关键作用，但由于钙钛矿材料对电子束极端敏感，传统电子显微成像极易引发结构损伤，使得在原子尺度直接观察其边缘与缺陷结构一直难以实现。
2025年10月，华南理工大学电子显微中心博士后原彪博士、韩宇教授联合国内外合作团队，在国际顶尖期刊《Nature》上发表了最新研究成果《Atomically resolved edges and defects in lead halide perovskites》，成功突破了这一难题。研究团队采用真正高速、超低剂量的四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）并结合剂量分割策略，实现了目前为止据知为最低电子剂量条件下的原子分辨电子 ptychography 成像。首次实现了对甲基铵铅碘（MAPbI?）杂化钙钛矿晶体边缘与缺陷结构的原子尺度直接成像，并揭示了其在电子束辐照下的动态结构损伤机制。
图 1. MAPbI? 的超低剂量 4D-STEM 成像
图 2. MAPbI? 的原子分辨成像
图 3. MAPbI? 中边缘结构及其演化过程
在甲基铵铅碘（MAPbI?）中，多数边缘由甲基铵（MA?）和碘离子（I?）共同终止；晶体中最为严重的结构损伤主要发生在碘（I）显著缺失的区域，并且通常伴随着 PbI? 或金属 Pb 的形成。材料的损伤速率会随着卤素 I? 空位浓度的增加而显著提高，而 Pb? 空位的存在则可能在一定程度上减缓这一过程。这些发现为理解有机钙钛矿材料的脆弱性提供了亟需的原子尺度证据。
图4. 材料内部区域中的缺陷
赛默飞Thermo Fisher Themis Z 球差校正透射电子显微镜在这一研究中发挥了重要作用，为实现超低剂量原子分辨率成像提供了关键的技术支撑。该研究首次在原子尺度上揭示了钙钛矿材料中边缘与缺陷的结构不稳定性机制，明确指出碘空位是引发和加速结构损伤的关键因素。这一发现为通过精确控制合成条件（如添加过量MAI以减少碘空位）或使用路易斯碱分子钝化不配位的Pb2?来提升钙钛矿器件稳定性提供了直接的科学依据。这一成果也展示了超低剂量原子成像在电子束敏感材料（如电池材料、有机框架等）研究中的重大潜力。
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