本文作者为Jeffrey Huang、Yichao Zhang、Sang Hyun Bae、Ballal Ahammed、Elif Ertekin和Pinshane Y. Huang，主要来自University of Illinois Urbana-Champaign材料科学与工程系、材料研究实验室以及University of Maryland材料科学与工程系。该研究发表于Science Advances，2026年5月6日在线发表，标题为“3D mapping of defects and moiré corrugations via electron ptychography atomic coordinate retrieval”。
研究背景方面，二维莫尔材料中的缺陷与结构重构会引起显著的面外变形，从而强烈改变其电子性质，但这些面外变形在实验中极难直接获取。扫描隧道显微镜只能探测最顶层原子的起伏，而电子断层成像受限于二维材料的平面几何与缺失楔问题，难以实现亚埃级层间距分辨。近年来多层电子叠层衍射（multislice electron ptychography，MEP）虽能在面内达到极高分辨率，但其深度分辨率通常仅为2至4纳米，远不足以进行三维原子级重建。本研究的目标是利用MEP并结合原子性等先验知识，从单一取向数据中恢复扭曲双层WSe₂的三维原子坐标，从而揭示各原子平面的缺陷位置、层间距变化及莫尔波纹模式。
工作流程上，研究首先制备了6°扭曲双层WSe₂样品，采用金辅助单层剥离和聚二甲基硅氧烷透镜拾取法组装，并悬浮于约2微米孔径的TEM网格上。随后在80 kV像差校正扫描透射电子显微镜（STEM）上采集4D-STEM数据，使用第一代EMPAD探测器，扫描步长0.43 Å，驻留时间1毫秒，单组128×128扫描位置的数据集采集时间约33.5秒。样品先以垂直电子束方向采集数据，再倾斜15°采集，以利用高面内分辨率补偿深度分辨率不足。对每个4D-STEM数据集进行多层叠层衍射重建，使用fold_slice软件包和multislice maximum likelihood求解器，重建中包含探针位置校正及多个探针模式以模拟部分相干。随后进行原子坐标提取：首先在三维相位中寻找局部极大值体素，再通过三线性插值进行亚像素级精确定位，对重叠原子或位于重建体积边界的原子辅以人工识别，并手动标记空位处的晶格位置。然后根据倾斜取向和深度信息将每个原子归属到六个原子平面之一。最后进行坐标精化，最小化由叠层衍射获得的x、y和少量z坐标与先验结构知识（如平均W-Se键长、平均层间距）构成的损失函数，从而获得物理合理且与数据一致的三维坐标。为验证方法精度，研究还基于分子动力学（MD）模拟的6°扭曲双层WSe₂坐标生成了模拟4D-STEM数据，并用相同流程进行重建与坐标提取。MD模拟使用LAMMPS，采用Stillinger-Weber势描述层内相互作用、Kolmogorov-Crespi势描述层间相互作用，在300 K下平衡后进行3纳秒模拟并取平均位置。数据分析还包括：对每个W层构建三角网格；层间距通过在高W层网格上采样并计算与低W层网格最近距离得到；曲率计算采用基于三角网格的主曲率估计方法。
主要结果方面，在无倾斜的MEP实验中，测得W原子的深度分辨率达到7.5 Å，显著优于先前报道的2至4纳米。虽然此分辨率仍无法分离同一横向位置、沿c轴间距3.3 Å的Se原子对，但通过将样品倾斜15°，所有六个原子平面均可区分。模拟数据验证结果显示，初始坐标提取的面内均方根误差为4.5 pm，而z方向误差为81 pm；经精化后，z方向误差大幅降至5.3 pm，面内误差仍保持4.5 pm，实现了皮米级三维精度。将此方法应用于实验中的2.4°扭曲双层WSe₂，结果发现仅外层Se原子平面（Se₁₁和Se₂₂）含有空位，各含16个空位，占该层Se原子的5.0%；内层Se平面（Se₁₂和Se₂₁）未观察到空位。这一层选择性空位分布表明空位主要来自样品制备或成像过程中的电子束损伤，而非晶体生长过程中的本征缺陷，因为本征缺陷应在所有原子层中均匀分布。对6°扭曲双层WSe₂的面外结构重构分析显示，AA堆叠区域的层间距最大，可达6.7至6.9 Å，比相邻AB区域的6.2至6.4 Å大约0.4至0.6 Å；孤子区域的层间距略大于AB区域。这些实验值与MD模拟结果高度一致。曲率分析揭示了AA区域的面外变形模式：在MD模拟中，三个AA区域均表现为顶部W层向外凸出、底部W层向内凹陷的“呼吸模式”；但在实验中，AA1和AA3区域为呼吸模式，而AA2区域上下两层弯向同一方向，呈现“弯曲模式”。这种呼吸模式与弯曲模式在近距共存的现象此前未被理论预测或实验观察到，可能源于两种状态之间能量差极小及样品制备引入的应变或动力学俘获。
结论与研究意义方面，该研究成功利用MEP结合坐标精化方法，从约30秒采集的单一取向数据中恢复了扭曲双层WSe₂的三维原子坐标，定位了单个空位，并绘制了莫尔重构导致的亚埃级层间距变化与波纹模式。该方法将二维材料三维原子成像的采集时间从数小时缩短至数秒，为原位三维原子结构及其演化测量提供了可能。科学价值在于直接揭示了此前难以实验获取的埋藏界面面外变形，发现了混合呼吸与弯曲波纹模式这一新的无序类型，这对理解莫尔系统的超导、电子填充和振动性质具有重要意义。在应用层面，该方法具有通用性，可推广至其他二维异质界面，有望促进控制面外变形的设计方法发展。此外，层选择性空位分析为区分本征缺陷与辐照诱导缺陷提供了一种新的三维判据，对二维材料缺陷工程和量子发射器件研究也有参考价值。
研究亮点主要体现在：第一，将MEP的深度分辨率提升至亚纳米级，并通过样品倾斜策略补偿深度分辨率不足，实现对六个原子平面的逐一区分；第二，开发了层层递进的坐标提取与精化流程，将z方向精度从几十皮米级提升至与面内相当的皮米级；第三，在实验中首次观察到扭曲双层WSe₂中呼吸模式与弯曲模式波纹共存的现象，揭示了此前未预测的结构无序类型；第四，利用三维层别空位分布明确判断了Se空位的辐照损伤起源，对澄清二维材料缺陷性质具有方法学意义。
其他有价值内容方面，研究还估算了有效Se空位产生截面约1.3 barn，与单层MoSe₂的报道值相近，并指出尽管实验在80 kV下低于撞出损伤阈值，但电离、化学蚀刻以及弹性能量转移与电子激发联合机制仍可导致空位形成。此外，作者在方法部分详细给出了图1、图3、图4等主要重建所用的像素填充、探针模式数、切片数及切片间距等参数，为同类研究提供了可复现的实验与计算细节。