原子级制造是国家重点布局的未来产业方向之一，原子尺度结构转变的精准操控与实时观测属于原子级制造领域的基础科学问题。近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室联合松山湖材料实验室研究团队，在该领域取得重要突破。以透射电子显微学方法为主，他们利用扫描透射高能电子束，不仅实时捕捉到KTaO₃晶体中Ta原子的动态运动，更成功诱导其结构精准转变为钨青铜K₆Ta₁₀.₈O₃₀，揭示了转变的关键调控参数。成果以“In-Situ Observation of Atom Motion and Manipulation of Structural Transformation”为题发表于《Advanced Materials》杂志，为原子尺度“造得准”与“看得清”奠定了重要科学基础。

他们通过精确调控电子束剂量与位移，利用“knock-on”效应选择性“踢出”KTaO₃中的钾、氧原子形成空位，进而驱动较重的钽原子迁移。这种协同原子运动最终促使材料从钙钛矿结构KTaO₃转变为四方钨青铜结构K₆Ta₁₀.₈O₃₀。新结构在常温环境下稳定存在，显示出该方法在原子加工方面的广阔前景。结合低剂量相位衬度成像与密度泛函理论计算，研究团队清晰揭示了原子迁移路径，阐明了其内在驱动机制。

该研究不仅揭示了电子束诱导原子运动与结构转变的原子机制，更开辟了一条利用电子束在原子尺度进行精准“雕刻”的技术路径，为未来新型功能氧化物电子器件的原子层级制造提供了重要的理论依据与关键技术支撑。

本研究的第一作者为中国科学院金属研究所材料显微科学研究部博士生石彤彤和李宇澍，通讯作者为唐云龙研究员、马秀良研究员和朱银莲研究员。研究获得了金属所创新基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划、辽宁省自然科学基金等项目的支持。

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图1. (a) KTaO₃结构示意图 (b) STEM模式下电子束辐照示意图 (c-l) 电子束辐照下原子运动与结构转变