多层hBN中单光子发射源原子尺度识别的挑战：像差对ADF-STEM成像对比度的限制与误差源分析

《Ultramicroscopy》：Single photon emitters in hBN: Limitations of atomic resolution imaging and potential sources of error

本研究针对利用环形暗场扫描透射电子显微镜在多层六方氮化硼中原子尺度识别单光子发射源所面临的挑战。为解决当前研究中因样品厚度和仪器像差导致的缺陷误识别问题，研究人员系统分析了三阶像散等残余像差对原子柱对比度的干扰。结果表明，即使在小厚度下，碳替代等点缺陷的识别也极易受像差影响而不可靠，这对基于ADF-STEM的量子发射源精准指认提出了重要警示。

　　

在量子技术领域，六方氮化硼中的单光子发射体因其在室温下展现出高亮度、窄线宽和优异的光稳定性而备受关注，被认为是实现量子通信、光量子计算和量子传感应用的理想平台。然而，一个长期存在的关键科学难题是：这些发射体的微观原子结构起源究竟是什么？理论计算和部分实验研究指出，硼空位(V_B)、碳替代掺杂(C_B, C_N)或其复合体可能是潜在的发射中心。但要确切地在原子尺度上将观测到的光子发射与特定的缺陷结构一一对应，却面临着巨大的技术挑战。这主要是因为在用于光子学研究的近体材料中，hBN flakes的厚度通常超过30个原子层，而光学技术的分辨率在微米量级，与原子缺陷的纳米尺度之间存在巨大的分辨率鸿沟。

为了填补这一空白，原子分辨率的环形暗场扫描透射电子显微镜被寄予厚望。该技术利用原子序数对比度原理，理论上能够区分不同元素构成的原子柱，从而识别出空缺或替代原子等缺陷。但将ADF-STEM应用于具有AA'堆叠顺序的多层hBN时，情况变得复杂。随着层数增加，硼柱和氮柱之间的本征对比度差异会迅速减小，同时，电子显微镜中难以完全消除的残余像差，特别是具有三阶对称性的三阶像散，会引入周期性的对比度调制，从而可能产生虚假的“缺陷”信号，导致对原子结构的误判。这项发表在《Ultramicroscopy》上的研究，正是为了系统揭示这些潜在误差源，并评估ADF-STEM技术在识别hBN中单光子发射源原子结构时的实际能力边界。

研究人员综合运用了详细的图像模拟和实验验证来开展研究。关键技术方法包括：利用开源工具abTEM进行多层hBN的ADF-STEM图像模拟，以理想条件评估厚度和像差的影响；在Nion UltraSTEM 100显微镜上，对机械剥离或化学气相沉积生长的、厚度经电子能量损失谱和位置平均会聚束电子衍射校准的hBN样品进行实验成像；通过故意引入可控的三阶像散等像差，直接观察其对原子柱对比度的干扰；结合阴极发光谱和电子能量损失谱进行关联分析，以光谱信息辅助缺陷识别。

2.1 多层hBN中点缺陷的检测

通过图像模拟发现，在无像差理想条件下，随着hBN层数增加，硼柱和氮柱的强度比迅速趋近于1。对于奇数层样品，本应存在的B/N对比度在超过约5层后便开始被热漫散射等引入的噪声所主导，至17层时，奇偶层样品的强度比已无法区分。对于碳替代硼的缺陷，模拟显示其识别可靠性在厚度超过约7层后急剧下降。虽然单个硼空位在模拟中可在更厚样品中被识别，但其检测可靠性在厚度超过10纳米时也变得不确定。实验上，在单层hBN中，单个碳原子可以在原始和滤波后的ADF-STEM图像中被可靠检测到。在双层hBN中，结合EELS碳K边图谱，可以确认MAADF图像中低对比度区域与碳原子团簇相关。然而，在六层hBN样品中，仅凭ADF-STEM对比度来区分碳团簇和空位团簇变得极具挑战性。

2.2 多层hBN中人为的B/N对比度

研究重点分析了非径向对称像差的影响。模拟和实验均表明，三阶像散对对比度的干扰尤为隐蔽。当像散相位与晶体取向匹配时，它会在不明显扭曲原子柱形状的情况下，显著调制相邻原子柱的强度对比。这种效应在多层hBN中会导致虚假的B/N对比度，甚至使图像看起来像是出现了AB堆垛。研究系统分析了三阶像散幅度和相位对强度比的影响，发现其关系是非单调且呈正弦变化的。即使幅度较小（如50纳米）的残余三阶像散，也足以在多层hBN中产生显著的对比度偏移，误导缺陷识别。此外，像差校正过程中的交叉耦合使得精确控制单一像差变得困难，增加了结果解读的复杂性。

2.3 厚度依赖的阴极发光

关联性研究表明，碳掺杂hBN样品的阴极发光强度与样品厚度密切相关。在近体材料区域（约15纳米厚），可以检测到清晰的4.1电子伏特发射峰。然而，当厚度减小至约10纳米以下时，发光强度近似以二次方关系衰减至背景噪声水平。发射减弱可归因于发射体数量减少、激发体积减小、介电屏蔽变弱、衬底导致的淬灭以及光漂白效应增强等多种因素。这表明在薄层样品中探测发射信号面临挑战，同时也提示需要优化实验条件（如低温测量）来增强薄层样品的发射信号。

研究的结论明确指出，ADF-STEM技术在识别多层hBN中原尺度缺陷的能力存在固有的局限性。样品厚度超过约17层后，即使在没有像差的理想条件下，本征的B/N对比度也会消失，点缺陷的识别变得高度不可靠。残余像差，特别是三阶像散，会引入难以察觉的人为对比度，是潜在的重大误差源。这些发现对以往在较厚hBN样品中报道的原子缺陷识别结果提出了质疑，强调了对ADF-STEM图像进行解读时必须格外谨慎。为了可靠地建立单光子发射与特定原子结构之间的关联，必须采用原子级薄的样品，并结合STEM-EELS、扫描探针显微术等补充技术，并在严格控制的成像条件下进行。这项工作的意义在于为未来hBN以及其他二维材料中量子发射源的精准表征确立了更严谨的技术标准和解读框架。