《The Innovation》：Visualizing the atomic structure of nitrogen-vacancy color center in diamond by multislice electron ptychography
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本研究针对现有技术难以表征金刚石中氮空位(NV)色心原子尺度结构、分布及应变场的问题，采用多切片电子叠层衍射技术(MEP)，首次实现了含27 ppm NV色心金刚石中ensemble NV中心的三维原子结构成像。研究发现高密度NV中心以簇状形式存在而非随机分布，每个NV簇包含超过4个单NV中心，沿[110]方向1-5 nm深度范围内排列，簇间距约1-2 nm。该工作为理解NV中心结构-性能关联及量子传感应用提供了重要指导。
在量子科技前沿领域，金刚石中的氮空位（NV）色心因其优异的光学与自旋性质，已成为量子计算、量子传感和量子通信等领域的明星材料。然而，要实现高精度量子传感应用，往往需要高密度的NV中心。但高密度带来的NV中心间相互作用增强，会导致量子相干时间缩短，从而影响量子性能。更关键的是，NV中心的性能与其在金刚石晶格中的分布、结构特征及伴随的应变场密切相关。长期以来，研究人员一直在争论：高密度NV中心究竟是紧密聚集在小体积内，还是相互分离？但由于NV中心仅由氮原子、空位及相关电子等轻元素构成，现有表征技术如荧光光谱、二阶关联函数g(2)(τ)等，虽能在微米及亚微米尺度分类NV中心类型及分布，却无法提供直接的结构图像。而像高分辨透射电镜（HRTEM）等技术，又存在投影效应，难以获取沿深度方向的真实原子结构信息。原子尺度结构的缺失，严重阻碍了人们对NV中心结构与性能关联的深入理解，也制约了原子级制造的发展。
为了突破这一瓶颈，发表在《The Innovation》上的这项研究，另辟蹊径，采用了一种先进的多切片电子叠层衍射技术（Multislice Electron Ptychography, MEP），对一颗含有27 ppm NV中心的金刚石进行了深入研究，首次在原子尺度上揭示了ensemble NV中心的真实结构、分布和应变特性。
研究人员主要运用了多切片电子叠层衍射技术（MEP）这一关键方法。该技术基于四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）数据集，通过扫描样品上方的离焦电子探针并记录每个扫描点的衍射图样，利用FoldSlice软件包进行重构，最终获得样品内部原子势的三维分布图像，其面内分辨率可达皮米级，深度分辨率约为2-3纳米。研究样本为通过高温高压（HPHT）法合成并经电子束辐照和退火处理得到的（100）取向Ib型金刚石单晶，其NV中心浓度通过光致发光（PL）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和光学探测磁共振（ODMR）等技术进行了标定。
研究结果
样品制备与ensemble NV中心性质
研究使用的金刚石样品经过HPHT合成、电子束辐照和高温退火处理，成功引入了高密度NV中心。PL和FTIR光谱分析确认了NV0（零声子线ZPL位于575 nm）和NV–（ZPL位于638 nm）的形成，且NV–是主要的缺陷物种。ODMR测量表明NV–ensembles在体金刚石中均匀分布，浓度约为27 ppm，其自旋相干时间（T2）达到1.3 μs。
金刚石中色心的可视化
通过与ABF、MAADF、iDPC等传统STEM成像技术的模拟对比，研究发现MEP在成像轻元素（如C、N）和点缺陷（如空位）方面具有显著优势。MEP不仅能够分辨原子柱，还能在厚度约1 nm的切片图像中识别出空位的位置，并观察到氮原子取代碳原子引起的轻微晶格畸变。这使得通过识别NV中心相关的空位来定位NV中心成为可能。
高密度ensemble NV中心的三维原子结构、分布及位移
MEP重构结果清晰显示，实验样品中的ensemble NV中心并非均匀分布，而是以“簇”的形式存在。这些NV簇在深度方向上分布不均，例如在观察区域内，缺陷I分布在Z=8-10 nm深度，而缺陷II分布在Z=9-13 nm深度。放大图像显示，NV簇内的原子相位值较低（表明存在空位），且邻近原子发生轻微位移。缺陷II（分布范围更大）引起的原子位移比缺陷I更显著，表明NV簇内包含的单NV中心数量或其沿深度方向的分布范围与引起的晶格畸变程度相关。沿特定原子柱的深度剖面图进一步证实了空位的中心定位及其在深度方向上的不均匀分布。在大视场（10.48 × 20.96 nm2）分析中，观察到约四个累积的NV中心，每个沿深度分布约2-4 nm，且这些NV簇沿[110]投影方向的间距约为1-2 nm，表现出明显的簇状聚集趋势。位移场分析表明，NV中心的存在引入了额外的原子位移（约0.2 pm），导致局部晶格畸变，原子有向内收缩的趋势。
讨论
研究表明，在微米尺度下看似均匀发光的ensemble NV中心，在纳米至原子尺度下实则呈现局域簇状分布，即“累积的NV中心”。结合密度泛函理论（DFT）计算，研究提出每个累积的NV中心至少由四个单NV中心组成，它们沿三个或更多原子柱排列，在沿[110]方向约2-4 nm的深度范围内分布。传统的NV中心制备方法（如电子辐照）会在晶格中产生损伤区域，退火过程中空位释放并与氮原子结合形成NV中心，这些NV中心倾向于在损伤区域周围聚集，从而形成观测到的高密度NV簇。虽然当前MEP技术的深度分辨率（约2 nm）尚不足以直接成像单个NV中心或区分碳氮原子，但其结果与DFT构建的模型相符，为理解NV簇的结构提供了有力支持。新发展的倾斜耦合MEP（TCMEP）等技术有望进一步提升分辨率。
研究结论与意义
本研究首次在原子尺度上实现了金刚石中NV中心的三维结构成像，揭示了其簇状分布特征、局部应变场以及原子位移细节。研究发现高密度NV中心并非随机或紧密隔离，而是以间距约1-2 nm的簇状形式存在，每个簇包含多个单NV中心。这一发现为了解高密度NV中心的结构-性能关系提供了关键的结构基础，对优化量子传感器件性能、指导原子级制造以及推动量子计算发展具有重要意义。该工作展示了MEP在表征轻元素材料中点缺陷方面的强大能力，为未来相关研究提供了新的技术途径和见解。
