有機無機雜化鈣钛礦材料因優異的光伏性能備受關注；研究其原子結構，有助于理解其光伏性能、由結構不穩定性所導緻的器件失效機理。然而，由于該類材料極其敏感，對常規透射電子顯微鏡的原子尺度成像方法提出挑戰，迄今尚未在原子尺度上捕捉到甲胺鉛碘CH₃NH₃PbI₃（MAPbI₃）的無損傷原始結構。

beat365官方网站量子材料科學中心、電子顯微鏡實驗室高鵬研究員課題組與石家莊鐵道大學趙晉津教授、中國科學院深圳先進技術研究院王曉研究員、南方科技大學李江宇教授等合作，利用低劑量成像技術實現了MAPbI₃在原子尺度上的成像，并揭示了其分解路徑。聯合研究團隊長期從事電子束敏感材料的低劑量成像研究，針對有機無機雜化鈣钛礦結構物性與分解機理取得了一系列進展：基于低劑量電子衍射技術，揭示了有機無機雜化鈣钛礦在電子束輻照下的結構不穩定性（Nature Communications 2018, 9(1): 4807-4808）及普适性的分解路徑（Advanced Materials 2020, 32(29): 2001107）；探究了影響其分解的主要因素（Science Bulletin 2020, 65(19): 1643-1649）；進一步系統地提出了在電鏡表征過程中判斷有無分解、減緩分解的策略（Journal of Applied Physics 2020, 128, 10901）。

近期，聯合研究團隊借助直接電子探測相機，利用低劑量成像技術，在極低的電子束劑量下（約0.7 e/Ų）成功采集了MAPbI3的鈣钛礦型原子結構，揭示了其兩步分解路徑以及陽離子有序的中間相結構，并結合陰極熒光和電子能量損失譜，進一步揭示了分解過程中的電子結構和成鍵演變。研究顯示，随着電子束劑量的增加，MAPbI₃結構逐漸産生有序的MA⁺空位，随後I^-和Pb²⁺擴散引起鈣钛礦結構坍塌，分解為PbI₂（如圖），其中，C-N鍵首先斷裂，産生NH₃、HI和碳氫化合物，分解過程中，帶隙逐漸增大。這些發現澄清了此前存在争議的“中間相的原子結構”問題，豐富了人們對降解機理的認識，為提高器件穩定性提供了新思路。實現該材料的低劑量顯微成像也有利于指導後續的電鏡表征，為研究其中的缺陷、界面、疇壁，以及原位結構演化提供了可行的方法。

MAPbI₃在原子尺度上的分解路徑：（a-e）随着劑量增加，逐漸分解為PbI₂過程的高分辨透射電鏡（HRTEM）圖像；（f, g）MAPbI₃和MA_0.5PbI₃的原子結構，其中黑色方塊表示V^-_MA，（h）I^-和Pb²⁺的兩類原子擴散，其中左側顯示I^-和Pb²⁺擴散到V^-_MA，右側顯示[PbI₆]^4-八面體從角連接通過八面體滑移變為棱連接；（i）PbI₂的原子結構

2021年9月17日，相關研究成果以“原子尺度揭示CH₃NH₃PbI₃結構及分解路徑”（Atomic-scale imaging of CH₃NH₃PbI₃ structure and its decomposition pathway）為題，在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）；beat365官方网站量子材料科學中心、電子顯微鏡實驗室專職研究人員陳樹林和中國科學院深圳先進技術研究院博士後吳常偉為共同第一作者，趙晉津、王曉、李江宇和高鵬為共同通訊作者。

上述研究工作得到國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃及量子物質科學協同創新中心等支持。

論文連接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25832-9