1、界面结构对材料相稳定性的影响：
1）提出并发现了一维晶体，提出并发现了区别于晶体、准晶和非晶的固体物质新结构——一维晶体，该结构的原子排列仅在一个方向上具有平移对称性和周期性而在其他方向上是无序的，拓展了人们对固体结构的认识。
在氧化镁（MgO）和三氧化二钕（Nd2O3）等两种多晶薄膜材料体系中制备并发现了一维晶体。电子显微结构表征的结果表明MgO和Nd2O3一维晶体的原子排列仅在一个方向上（沿电子束方向）具有平移周期性和长程有序，而在其他方向上呈现无序排列。构成MgO和Nd2O3一维晶体的结构单元的原子排列与重位点阵Σ晶界的结构单元非常类似。Σ晶界结构单元具有较低的自由能，有利于一维晶体的稳定存在，晶界对一维晶体的形成具有重要作用。研究发现一维晶体的物理性质与对应的晶态物质存在明显区别。STEM-EELS测得MgO一维晶体的带隙为3.2 eV，远小于MgO晶体（7.4 eV）。一维晶体在薄膜中并不罕见，其密度可达~1/um2。需要说明是：一维晶体是物质结构的概念，其物理内涵与纳米线等一维材料完全不同。该成果发表在《自然材料》杂志上（Nature Materials, 2019, 18, 19–23）。
图2. (a, b) MgO一维晶体沿其周期性排列方向的ABF像，(c, d) Nd2O3一维晶体的HAADF像，(e, f) DFT理论计算与STEM-EELS测定MgO一维晶体的带隙。
2）发现由倒反畴界和层错交织而成的面缺陷三维网络可显著提高亚稳材料纤锌矿型氮化硼的相稳定性，并在原子尺度揭示了结构缺陷阻碍材料相变的物理机制，这有别于经典相变理论中结构缺陷将促进材料相变的传统认识。
利用高温高压处理h-BN单晶的方法制备了w-BN，并利用扫描透射电子显微术与第一性原理计算相结合的方法系统地研究了w-BN中的缺陷结构及其对材料相变的影响。电子显微学研究发现w-BN中形成了高密度的基面层错（ISF）与棱柱面倒反畴界（IDB），它们交织在一起形成了立体的面缺陷三维网络。层错与倒反畴界相交形成了数量众多的“层错-倒反畴界结”（其核心结构为混合型不全位错），具有“锁定”w-BN结构转变的作用。第一性原理分子动力学计算表明w-BN中的面缺陷结构可显著抑制其向h-BN的相变，极大地提高了材料的稳定性。经典相变理论认为材料中的结构缺陷具有较高的能量、易于偏析杂质原子，通常是材料相变的易形核位置，会促进相变的发生。本研究的科学意义为发现了面缺陷三维网络对材料相变的显著抑制作用，深化了人们对材料缺陷与相变关系的理解。此外，利用高密度结构缺陷稳定亚稳相的研究思路可为种类众多的亚稳材料的制备提供有益借鉴，在新材料探索和研发方面具有重要的应用前景。相关成果发表在《美国国家科学院院刊》杂志上（PNAS, 2019, 116, 11181– 11186）。
图3. (a) h-BN单晶，(b) 合成的w-BN晶体，(c) w-BN中高密度的层错和倒反畴界，(d, e) 层错-倒反畴界结的HAADF和ABF像，(f) 层错和倒反畴界构成面缺陷三维网络的示意图。
2、界面结构对材料电学性能的影响：揭示了金刚石/立方氮化硼超硬材料界面二维电子气的形成机理和晶格失配的新驰豫机制——层错网络机制；
金刚石和立方氮化硼是世界上最硬的两种材料，其原子由高强度sp3共价键连接，超硬材料之间如何实现原子间成键是界面科学领域一个具有代表性的基础科学难题，其核心在于超硬材料界面上的晶格失配是通过何种方式实现驰豫的。利用电子显微术与第一性原理计算相结合的方法系统地研究了金刚石/立方氮化硼（111）异质界面的显微结构与电学特性。TEM弱术暗场像与STEM明场像的表征结果表明该异质界面是半共格界面，界面上的晶格失配是通过一组连续的层错网络来驰豫的。经典界面理论认为半共格界面的晶格失配是通过失配位错来驰豫的（失配位错机制）。层错网络机制是我们发现的一种新型的界面晶格失配驰豫机制，与sp3共价键的高刚度、高强度、强方向性等特性密切相关。像差校正电镜界面原子结构表征的结果表明，这两种材料在包括共格区和层错区在内的整个界面上均形成了硼原子与碳原子的共价键键合，实现了原子尺度的外延生长。第一性原理计算的结果表明尽管金刚石和立方氮化硼均是宽带隙半导体材料，该异质界面上形成了二维电子气，界面呈金属性并且很可能具有界面超导等特殊的电学性能。该二维电子气形成的界面结构根源为界面处立方氮化硼（111）面的极性不连续。该研究工作的科学意义首先在于发现了驰豫界面晶格失配的新机制——层错网络机制，深化了对材料界面结构的理解；其次是在超硬材料界面上发现了二维电子气，丰富了二维电子气的材料体系（二维电子气的研究主要集中于钙钛矿氧化物体系）。相关成果发表在《自然通讯》杂志上（Nature Communications, 2015, 6, 6327）。
图4. (a) 金刚石∕立方氮化硼异质结，(b) 界面的截面样品TEM像，(c) 界面上层错网络的STEM明场像，(d) 界面的HAADF像，(e, f) DFT计算表明该界面上形成了二维电子气。
2）揭示了SrnNbnO3n+2准一维金属导电性起源的微观物理机制，发展了原子尺度精确控制相变的技术，并构筑了具有一维导电性与二维铁电性的新型多功能薄膜，为新型准一维导电材料的研发和应用提供了新思路。
陈春林研究员自2013年起与诺贝尔奖获得者J. G. Bednorz教授开展了密切合作，利用扫描透射电镜在原子尺度深入系统地研究了SrnNbnO3n+2的电学性质与其Nb离子价态及NbO6八面体形态之间的关系。研究发现SrnNbnO3n+2的导电性能取决于Nb离子价态和NbO6八面体形态（参见图5a）：材料中含Nb4+离子的区域导电性能良好，Nb4+离子总是位于NbO6八面体的中心位置；过剩的氧聚集于相邻导电层之间从而形成了绝缘层，Nb离子为+5价并且显著地偏离NbO6八面体的中心位置。SrnNbnO3n+2中Nb离子的电荷有序是其准一维金属导电性的电子结构起源，受导电层之间界面结构的调控。该工作在原子尺度揭示了SrnNbnO3n+2准一维金属导电性起源的物理机制，具有重要的科学意义；此外，可变价离子的电荷有序可作为新型准一维导电材料研发的重要思路，为新材料开发提供了理论依据。相关成果发表在ACS Nano杂志上（ACS Nano, 2017, 11, 12519–12525）。
SrnNbnO3n+2层状结构调控是一个有关导电层与绝缘层之间界面迁移的材料相变问题。传统的调控相变的方法如变温（加热或冷却）、变形等均无法实现对材料相变的精确控制，因此开发在原子尺度上精确控制材料相变的新方法是推进该研究的重要突破口。针对此问题，利用亚埃尺寸电子束辐照的方法，通过辐照相变的原理实现了对SrNbO3.4 (n=5)材料相变的原子级精度精确控制，调控了其层状结构与电学性能。利用亚埃尺寸电子束辐照控制相变是材料相变精确控制技术的重要进展，可应用于纳米器件设计与制造等领域。相关成果发表在Nano Letter杂志上（Nano Letters, 2015, 15, 6469–6474）。
电子的自由移动和正负电荷中心不重合分别是材料导电性和铁电性的形成原因。由于自由移动的电子会阻碍自发极化的发生（即电荷屏蔽效应），因此铁电性和导电性是两种矛盾的物理性质，难以在材料中共存。利用电子束辐照调控材料相变的方法，我们在SrNbO3.5 (n=4)铁电薄膜中开创性地引入了贯穿于薄膜的SrNbO3导电纳米/微米线阵列，构筑了具有一维导电性与二维铁电性的SrNbO3/SrNbO3.5新型多功能薄膜，实现了铁电性与导电性这两种原本相互矛盾的材料特性的有机统一，为研究铁电性的离子-电子相互作用和超导性的电子-声子相互作用提供了很好的机会，在凝聚态物理研究领域具有重要的科学价值。由于导电方向与铁电极化方向相互垂直，薄膜引入一维导电性后并不劣化其铁电性能，具有突出的优势。本工作还成功实现了模型化功能器件的制备，为新型导电铁电多功能材料在光电、热电、压电等领域的研究和应用奠定了基础（例如导电铁电电容器和导电压电传感器等新型多功能器件的开发）。该成果发表在Nano Letters杂志上（Nano Letters, 2020, 20, 1047−1053）。
图5. (a) 准一维金属导电性起源的物理机制，(b) 利用电子束辐照在原子尺度精确控制SrNbO3.4的相变，(c-e)构筑具有一维导电性与二维铁电性的SrNbO3/SrNbO3.5多功能薄膜。
3、界面结构对材料磁学性能的影响：利用扫描透射电镜差分相衬成像技术（DPC STEM）直接测定了Fe3O4孪晶界的界面磁性耦合类型，在原子尺度上建立了孪晶界的原子、电子结构与磁性耦合之间一一对应的直接关系。
发现Fe3O4孪晶界形成了铁磁和反铁磁两种不同类型的磁性耦合，界面磁性耦合的形成机制取决于界面两侧几个原子层范围内的原子与电子结构。穿过界面的Fe-O-Fe键角为锐角时，孪晶界（I）易形成铁磁耦合；当穿过界面的Fe-O-Fe键角为钝角时，孪晶界（II）易形成反铁磁耦合。此项成果是对单一界面的磁性耦合的首次直接实验观测，对界面磁性研究和理解多晶材料的磁学行为具有重要的科学意义。此外，该工作还阐明了长期困扰人们的Fe3O4自旋极化率实验值远低于理论值的物理机制（界面上的反铁磁耦合会大大降低其自旋极化率），为工程实践中提高Fe3O4自旋极化率提供了理论依据，将有助于改善相关自旋电子学器件的性能。相关成果发表在ACS Nano杂志上（ACS Nano, 2018, 12, 2662–2668）。
图6. (a, b) Fe3O4孪晶界的HAADF像，(c) DPC STEM测得的磁化矢量分布图，I型孪晶界为铁磁耦合、II型为反铁磁耦合，(d) 自旋极化态密度计算表明I型孪晶界为铁磁耦合。
