在材料科學(xué)的前沿領(lǐng)域，二維材料因其原子級(jí)的厚度和優(yōu)異的機(jī)械柔韌性，成為了柔性電子、量子計(jì)算和可重構(gòu)納米機(jī)械系統(tǒng)等新興應(yīng)用的寵兒。通過(guò)有意引入應(yīng)變來(lái)調(diào)控其光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能的“應(yīng)變工程”，已成為一種強(qiáng)大的材料設(shè)計(jì)手段。然而，一個(gè)根本性的挑戰(zhàn)隨之而來(lái)：這些薄如蟬翼的材料在承受應(yīng)力時(shí)，極易發(fā)生面外變形，形成波紋、褶皺或屈曲等復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。這使得材料表面的真實(shí)應(yīng)變分布變得難以捉摸，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的表征技術(shù)，如幾何相分析（GPA）或原子分辨率電子斷層掃描，要么視野有限，要么難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的非平面結(jié)構(gòu)。那么，我們能否“看”清一張皺巴巴的二維“紙”上，每一點(diǎn)的真實(shí)受力情況呢？這正是發(fā)表在《SCIENCE ADVANCES》上的一項(xiàng)研究所要回答的核心問(wèn)題。

為了攻克這一難題，研究人員開(kāi)發(fā)了一種名為BRIGHT（Bragg-Rod Informed, Gradient-based Height-mapping Technique，布拉格棒信息梯度高度映射技術(shù)）的集成方法。該方法的核心是僅利用單次納米束四維掃描透射電子顯微鏡（4D-STEM）掃描獲得的數(shù)據(jù)集。4D-STEM能夠在樣品每個(gè)掃描位置收集完整的衍射圖案。BRIGHT方法首先從這些衍射圖案中提取材料局部?jī)A斜的角度信息（包括面外仰角θ和面內(nèi)方位角?），然后通過(guò)梯度校正算法將這些傾斜信息轉(zhuǎn)換為局部表面梯度，最終積分重建出材料的三維地形圖。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)校正因樣品傾斜帶來(lái)的投影畸變，計(jì)算得到在真實(shí)三維結(jié)構(gòu)表面上的面內(nèi)應(yīng)變張量。這一流程避免了電子斷層掃描中常見(jiàn)的輻射損傷和對(duì)準(zhǔn)誤差問(wèn)題。

研究主要采用了納米束四維掃描透射電子顯微成像（4D-STEM）技術(shù)，結(jié)合了電子顯微鏡像素陣列探測(cè)器（EMPAD）來(lái)采集高分辨衍射數(shù)據(jù)。研究樣本為通過(guò)S/Se前驅(qū)體流速調(diào)制方法生長(zhǎng)的懸浮單層MoS₂-MoSe₂橫向異質(zhì)結(jié)。數(shù)據(jù)分析則基于自主研發(fā)的BRIGHT算法流程和開(kāi)源4Denoise Python軟件包，實(shí)現(xiàn)了從衍射強(qiáng)度到傾斜角映射、三維形貌重建以及應(yīng)變校正的全過(guò)程。此外，研究還通過(guò)abTEM軟件進(jìn)行了多片層電子衍射模擬，以驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性并分析誤差來(lái)源。

研究首先建立了通過(guò)分析衍射峰強(qiáng)度變化來(lái)反推材料局部?jī)A斜的理論基礎(chǔ)。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于過(guò)渡金屬二硫族化物（TMD）這類材料，其二階布拉格峰的強(qiáng)度對(duì)樣品傾斜最為敏感。通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)衍射強(qiáng)度與基于運(yùn)動(dòng)學(xué)衍射模型生成的模擬強(qiáng)度庫(kù)的匹配關(guān)系，可以精確獲取每個(gè)掃描點(diǎn)的傾斜參數(shù)（θ, ?）。這些傾斜圖隨后被轉(zhuǎn)換為局部梯度，并通過(guò)迭代算法集成為連續(xù)的三維高度圖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)TMD材料表面形貌的高精度重建。

為了驗(yàn)證BRIGHT方法的可靠性，研究團(tuán)隊(duì)使用模擬的波紋狀MoSe₂4D-STEM數(shù)據(jù)集進(jìn)行了誤差分析。結(jié)果表明，在合理的電子劑量下（如10³e^?/?²），該方法能夠準(zhǔn)確重建表面形貌，平均絕對(duì)誤差約為0.20納米。分析還發(fā)現(xiàn)，傾斜映射的精度與傾斜軸的方向有關(guān)，當(dāng)材料的面外傾斜角低于20°時(shí)，方法具有良好精度，這涵蓋了大多數(shù)平面變形二維薄膜的情況。

在獲得精確三維形貌的基礎(chǔ)上，研究進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變張量的重建。關(guān)鍵步驟是校正由樣品傾斜引起的應(yīng)變測(cè)量偽影。通過(guò)提取的傾斜參數(shù)，利用平面應(yīng)變方程對(duì)測(cè)量得到的表觀應(yīng)變進(jìn)行重新定向和校正，最終得到反映真實(shí)晶格變形的應(yīng)變圖。研究還開(kāi)發(fā)了一個(gè)交互式圖形用戶界面（GUI），可以實(shí)時(shí)可視化并交互探索三維應(yīng)變、形貌、傾斜和物相圖，方便研究者分析應(yīng)變機(jī)制。

作為BRIGHT方法的關(guān)鍵應(yīng)用，研究深入分析了懸浮單層MoS₂-MoSe₂橫向異質(zhì)結(jié)的三維應(yīng)變。由于兩者之間存在約4%的晶格失配，異質(zhì)結(jié)中會(huì)產(chǎn)生固有的外延應(yīng)變，其中MoSe₂區(qū)域承受壓應(yīng)變并導(dǎo)致波紋形成。研究重建的形貌和應(yīng)變圖清晰地展示了結(jié)寬對(duì)形貌和應(yīng)變弛豫的依賴關(guān)系。例如，較寬的MoS₂區(qū)域?qū)е翸oSe₂中產(chǎn)生較窄的垂直波紋，而較寬的MoSe₂區(qū)域則產(chǎn)生較大的垂直波紋。應(yīng)變校正圖顯示，波紋的形成主要弛豫了由晶格失配引起的ε_xx方向的外延應(yīng)變。對(duì)具有不同結(jié)寬和波紋構(gòu)型（對(duì)齊或鋸齒狀）區(qū)域進(jìn)行的線剖面分析進(jìn)一步量化了殘余應(yīng)變和晶格失配情況，揭示了結(jié)寬如何影響表面變形和空間應(yīng)變分布。

本研究提出的BRIGHT方法，成功地將三維形貌重建與應(yīng)變場(chǎng)測(cè)繪集成于單次納米束4D-STEM掃描之中。該方法應(yīng)用于懸浮的MoS₂-MoSe₂橫向異質(zhì)結(jié)，揭示了結(jié)寬依賴的波紋形態(tài)和應(yīng)變弛豫路徑，首次在實(shí)驗(yàn)上將二維材料非平面結(jié)構(gòu)的形貌與其內(nèi)部應(yīng)變分布直接聯(lián)系起來(lái)。

這項(xiàng)研究的意義重大。首先，BRIGHT方法為解決三維結(jié)構(gòu)二維材料的應(yīng)變表征難題提供了一個(gè)強(qiáng)大、高效的工具。與電子斷層掃描等方法相比，它具有劑量效率高、避免樣品移動(dòng)偽影等優(yōu)勢(shì)。其次，研究結(jié)果深化了我們對(duì)二維異質(zhì)結(jié)中應(yīng)變弛豫機(jī)制的理解，表明通過(guò)控制結(jié)寬等幾何參數(shù)，可以精確調(diào)控材料的形貌和應(yīng)變狀態(tài)，這為“按需設(shè)計(jì)”具有特定光電或力學(xué)性能的二維材料器件鋪平了道路。盡管當(dāng)前方法主要報(bào)告非平面表面上的面內(nèi)應(yīng)變張量，且在極低劑量（~10²e^?/?²）或高局部?jī)A斜（>20°）條件下精度可能下降，但其在大多數(shù)變形適中的二維薄膜中表現(xiàn)穩(wěn)健。該方法可擴(kuò)展到其他二維材料體系，為柔性電子、量子信息等領(lǐng)域的精密應(yīng)變工程提供了新的研究范式和實(shí)現(xiàn)途徑。