Guodong Zhu, Qinghua Zhang, Lin Gu. Electron microscopy measurements of electron orbitals[J]. Materials Lab, 2025, 4(3): 250002. doi: 10.54227/mlab.20250002
Citation: Guodong Zhu, Qinghua Zhang, Lin Gu. Electron microscopy measurements of electron orbitals[J]. Materials Lab, 2025, 4(3): 250002. doi: 10.54227/mlab.20250002

PERSPECTIVE

Electron microscopy measurements of electron orbitals

More Information
  • Corresponding author: lingu@mail.tsinghua.edu.cn
  • Quantitative characterization and real-space mapping of the electron orbital are highly desirable as it’s a basic order parameter linking microscopic electronic structure and macroscopic properties in material science. Here we briefly review the recent progress in the measurements of orbital populations via electron microscopic methods, including quantitative convergent-beam electron diffraction (QCBED), electron energy-loss spectroscopy (EELS) and others. Combing with the rapid development of four-dimensional scanning transmission electron microscopy (4D-STEM), we propose the future potential directions and discuss possible solutions towards real-space orbital mapping at atomic scale.


  • 加载中
  • 1. D. Xiao, L. Gu, Nano Sel., 2020, 1, 183
    2. Y. Tokura, M. Kawasaki, N. Nagaosa, Nat. Phys., 2017, 13, 1056
    3. Z. Chen, Y. Jiang, Y. T. Shao, M. E. Holtz, M. Odstrcil, M. Guizar-Sicairos, I. Hanke, S. Ganschow, D. G. Schlom, D. A. Muller, Science, 2021, 372, 826
    4. W. F. Yang, H. Z. Sha, J. Z. Cui, L. Z. Mao, R. Yu, Nat. Nanotechnol., 2024, 19, 612
    5. E. Clementi, G. Corongiu, Int. J. Quantum Chem., 2008, 108, 1758
    6. J. M. Zuo, M. Kim, M. O'Keeffe, J. C. H. Spence, Nature, 1999, 401, 49
    7. C. J. Humphreys, Nature, 1999, 401, 21
    8. J. M. Zuo, M. O'Keeffe, M. Kim, J. C. H. Spence, Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39, 3791
    9. W. H. E. Schwarz, Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 1508
    10. M. Labarca, O. Lombardi, Found. Chem., 2010, 12, 149
    11. C. E. Brion, G. Cooper, Y. Zheng, I. V. Litvinyuk, I. E. McCarthy, Chem. Phys., 2001, 270, 13
    12. J. Itatani, J. Levesque, D. Zeidler, H. Niikura, H. Pépin, J. C. Kieffer, P. B. Corkum, D. M. Villeneuve, Nature, 2004, 432, 867
    13. T. Manjo, S. Kitou, N. Katayama, S. Nakamura, T. Katsufuji, Y. Nii, T. -H. Arima, J. Nasu, T. Hasegawa, K. Sugimoto, D. Ishikawa, A. Q. R. Baron, H. Sawa, Mater. Adv., 2022, 3, 3192
    14. M. Bugnet, S. Löffler, M. Ederer, D. M. Kepaptsoglou, Q. M. Ramasse, J. Microsc., 2024, 295, 217
    15. Y. Tokura, N. Nagaosa, Science, 2000, 288, 462
    16. J. Zhu, Y. Miao, J. T. Guo, Acta Mater., 1997, 45, 1989
    17. J. M. Zuo, Mater. Trans. Jim, 1998, 39, 938
    18. F. Feng, A. H. Zhang, J. Zhu, Ultramicroscopy, 2004, 98, 173
    19. J. M. Zuo, Rep. Prog. Phys., 2004, 67, 2053
    20. L. J. Wu, Y. M. Zhu, J. Tafto, Phys. Rev. B, 1999, 59, 6035
    21. Y. M. Zhu, L. J. Wu, J. Tafto, Microsc. Microanal., 2003, 9, 442
    22. L. J. Wu, Y. M. Zhu, T. Vogt, H. B. Su, J. W. Davenport, J. Tafto, Phys. Rev. B, 2004, 69, 064501
    23. K. Tsuda, Y. Ogata, K. Takagi, T. Hashimoto, M. Tanaka, Acta Cryst. A, 2002, 58, 514
    24. F. Yu, H. M. Zou, J. B. Wang, R. H. Wang, Micron, 2004, 35, 411
    25. F. Feng, J. Zhu, A. H. Zhang, Acta Cryst. A, 2005, 61, 453
    26. J. F. Cao, H. M. Zou, C. Guo, Z. L. Chen, S. Z. Pu, Solid State Ionics, 2009, 180, 1209
    27. P. N. H. Nakashima, A. E. Smith, J. Etheridge, B. C. Muddle, Science, 2011, 331, 1583
    28. X. Sang, A. Kulovits, G. Wang, J. Wiezorek, Philos. Mag., 2012, 92, 4408
    29. D. Peng, P. N. H. Nakashima, Phys. Rev. Lett., 2021, 126, 176402
    30. N. K. Hansen, P. Coppens, Acta Cryst. A, 1978, 34, 909
    31. A. Holladay, P. Leung, P. Coppens, Acta Cryst. A, 1983, 39, 377
    32. T. Shang, D. Xiao, F. Meng, X. Rong, A. Gao, T. Lin, Z. Tang, X. Liu, X. Li, Q. Zhang, Y. Wen, R. Xiao, X. Wang, D. Su, Y.-S. Hu, H. Li, Q. Yu, Z. Zhang, V. Petricek, L. Wu, L. Gu, J.-M. Zuo, Y. Zhu, C.-W. Nan, J. Zhu, Nat. Commun., 2022, 13, 5810
    33. Z. Tang, T. Shang, H. Xu, T. Lin, A. Gao, W. Lin, X. Li, S. Wang, B. Yu, F. Meng, Q. Zhang, X. Wang, D. Su, Q. Meng, L. Wu, L. Gu, C. W. Nan, Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202216898
    34. T. Shang, A. Gao, D. Xiao, Q. Zhang, X. Rong, Z. Tang, W. Lin, T. Lin, F. Meng, X. Li, Y. Wen, X. Wang, D. Su, Z. Chen, Y.-S. Hu, H. Li, Q. Yu, Z. Zhang, L. Wu, L. Gu, J.-M. Zuo, Y. Zhu, L. Chen, C.-W. Nan, Natl. Sci. Rev., 2024, 11, nwae255
    35. R. F. Egerton, Ultramicroscopy, 2012, 119, 24
    36. J. C. H. Spence, P. W. Hawkes, Ultramicroscopy, 2008, 108, 1502
    37. S. Löffler, V. Motsch, P. Schattschneider, Ultramicroscopy, 2013, 131, 39
    38. L. Pardini, S. Löffler, G. Biddau, R. Hambach, U. Kaiser, C. Draxl, P. Schattschneider, Phys. Rev. Lett., 2016, 117, 036801
    39. S. Löffler, M. Bugnet, N. Gauquelin, S. Lazar, E. Assmann, K. Held, G. A. Botton, P. Schattschneider, Ultramicroscopy, 2017, 177, 26
    40. J. Fink, Adv. Electron. Electron Phys., 1989, 75, 121
    41. J. Fink, N. Nucker, E. Pellegrin, H. Romberg, M. Alexander, M. Knupfer, J. Electron. Spectrosc., 1994, 66, 395
    42. A. Torres-Pardo, A. Gloter, P. Zubko, N. Jecklin, C. Lichtensteiger, C. Colliex, J. M. Triscone, O. Stéphan, Phys. Rev. B, 2011, 84, 220102
    43. K. Xu, L. Zhang, A. Godfrey, D. Song, W. Si, Y. Zhao, Y. Liu, Y. Rao, H. Zhang, H. A. Zhou, W. Jiang, W. Wang, Z. Cheng, J. Zhu, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2021, 118, e2101106118
    44. C. Iwashimizu, M. Haruta, H. Kurata, Appl. Phys. Lett., 2021, 119, 232902
    45. M. Bugnet, M. Ederer, V. K. Lazarov, L. Li, Q. M. Ramasse, S. Löffler, D. M. Kepaptsoglou, Phys. Rev. Lett., 2022, 128, 116401
    46. M. Ederer, S. Löffler, Ultramicroscopy, 2024, 256, 113866
    47. A. J. D'Alfonso, B. Freitag, D. Klenov, L. J. Allen, Phys. Rev. B, 2010, 81, 100101
    48. J. S. Jeong, M. L. Odlyzko, P. Xu, B. Jalan, K. A. Mkhoyan, Phys. Rev. B, 2016, 93, 165140
    49. H. J. Lee, W. Ho, Science, 1999, 286, 1719
    50. J. Repp, G. Meyer, S. Paavilainen, F. E. Olsson, M. Persson, Science, 2006, 312, 1196
    51. L. Gross, N. Moll, F. Mohn, A. Curioni, G. Meyer, F. Hanke, M. Persson, Phys. Rev. Lett., 2011, 107, 086101
    52. H. Kim, Y. Yoshida, C. C. Lee, T. R. Chang, H. T. Jeng, H. Lin, Y. Haga, Z. Fisk, Y. Hasegawa, Sci. Adv., 2017, 3, eaao0362
    53. S. Wang, N. Kennedy, K. Fujita, S.-I. Uchida, H. Eisaki, P. D. Johnson, J. C. S. Davis, S. M. O’Mahony, Nat. Mater., 2024, 23, 492
    54. H. Hafiz, K. Suzuki, B. Barbiellini, Y. Orikasa, V. Callewaert, S. Kaprzyk, M. Itou, K. Yamamoto, R. Yamada, Y. Uchimoto, Y. Sakurai, H. Sakurai, A. Bansil, Sci. Adv., 2017, 3, e1700971
    55. H. Yavaş, M. Sundermann, K. Chen, A. Amorese, A. Severing, H. Gretarsson, M. W. Haverkort, L. H. Tjeng, Nat. Phys., 2019, 15, 559
    56. S. Kitou, T. Manjo, N. Katayama, T. Shishidou, T.-H. Arima, Y. Taguchi, Y. Tokura, T. Nakamura, T. Yokoyama, K. Sugimoto, H. Sawa, Phys. Rev. Res., 2020, 2, 033503
    57. S. Kitou, Y. Kaneko, Y. Nakamura, K. Sugimoto, Y. Nomura, R. Arita, Y. Tokura, H. Sawa, T. H. Arima, Phys. Rev. B, 2023, 108, 024103
    58. P. Coppens, B. Iversen, F. K. Larsen, Coordin. Chem. Rev., 2005, 249, 179
    59. R. Kaminski, S. Domagala, K. N. Jarzembska, A. A. Hoser, W. F. Sanjuan-Szklarz, M. J. Gutmann, A. Makal, M. Malinska, J. M. Bak, K. Wozniak, Acta Cryst. A, 2014, 70, 72
    60. H. Kasai, K. Tolborg, M. Sist, J. Zhang, V. R. Hathwar, M. Ø. Filsø, S. Cenedese, K. Sugimoto, J. Overgaard, E. Nishibori, B. B. Iversen, Nat. Mater., 2018, 17, 249
    61. C. Gao, A. Genoni, S. Gao, S. Jiang, A. Soncini, J. Overgaard, Nat. Chem., 2020, 12, 213
    62. C. Ophus, Microsc. Microanal., 2019, 25, 563
    63. K. M. Müller-Caspary, M. Duchamp, M. Rösner, V. Migunov, F. Winkler, H. Yang, M. Huth, R. Ritz, M. Simson, S. Ihle, H. Soltau, T. Wehling, R. E. D. Dunin-Borkowski, S. Van Aert, A. Rosenauer, Phys. Rev. B, 2018, 98, 121408
    64. S. Fang, Y. Wen, C. S. Allen, C. Ophus, G. G. D. Han, A. I. Kirkland, E. Kaxiras, J. H. Warner, Nat. Commun., 2019, 10, 1127
    65. W. P. Gao, C. Addiego, H. Wang, X. X. Yan, Y. S. Hou, D. X. Ji, C. Heikes, Y. Zhang, L. Z. Li, H. X. Huyan, T. Blum, T. Aoki, Y. F. Nie, D. G. Schlom, R. Q. Wu, X. Q. Pan, Nature, 2019, 575, 480
    66. J. Martis, S. Susarla, A. Rayabharam, C. Su, T. Paule, P. Pelz, C. Huff, X. T. Xu, H. K. Li, M. Jaikissoon, V. Chen, E. Pop, K. Saraswat, A. Zettl, N. R. Aluru, R. Ramesh, P. Ercius, A. Majumdar, Nat. Commun., 2023, 14, 4363
    67. L. Susana, A. Gloter, M. Tencé, A. Zobelli, ACS Nano, 2024, 18, 7424
    68. S. Löffler, M. Ederer, Microsc. Microanal., 2023, 29, 376
    69. L. J. Wu, Q. P. Meng, Y. M. Zhu, Ultramicroscopy, 2020, 219, 113095
    70. T. Friedrich, C.-P. Yu, J. Verbeeck, S. Van Aert, Microsc. Microanal., 2023, 29, 395
    71. B. Diederichs, Z. Herdegen, A. Strauch, F. Filbir, K. Müller-Caspary, Nat. Commun., 2024, 15, 101
  • This is an open access article under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits use, distribution and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

Figures(8)

Information

Article Metrics

Article views(1074) PDF downloads(500) Citation(0)

Other Articles By Authors

Article Contents

Catalog

    /

    DownLoad:  Full-Size Img  PowerPoint