前言

2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過撕膠帶法成功地從高定向熱解石墨中剝離出單層、少層石墨烯，并通過實驗發現少層石墨烯在室溫下具有非常高的載流子濃度（10¹³cm^-2）和電子遷移率（10⁴cm²·V^-1·s^-1）。石墨烯的橫空出世打破了嚴格二維晶體材料不能獨立穩定存在的論斷，其表現出的優良電學性質引起了廣泛關注，石墨烯研究熱潮隨之興起。蓋姆和諾沃肖洛夫也因在二維材料石墨烯方面的開拓性實驗而被授予2010年的諾貝爾物理學獎。石墨烯研究的廣泛開展也促進了人們對其他二維晶體材料的探索與研究。六方氮化硼、過渡金屬硫族化合物、過渡金屬碳化物和碳氮化物、黑磷烯等二維晶體相繼被成功制備出來，這極大地拓寬了二維晶體的研究范圍。這些二維晶體表現出的優異特性及其潛在應用吸引了越來越多的科技工作者投入到二維晶體的研究事業中，開啟了二維晶體材料研究的新時代。

理論和實驗研究均表明石墨烯具有優異的物理性能。石墨烯是目前已知的力學強度最高的材料之一，其斷裂強度約為鋼的100倍；石墨烯室溫載流子遷移率比單晶硅高兩個數量級且受溫度和摻雜效應影響小，表現出亞微米尺度的彈道輸運特性，有望構筑室溫彈道場效應晶體管；單層石墨烯的熱導率約為5000W·m^-1·K^-1，高于金剛石、碳納米管，是室溫下銅熱導率的10倍；單層石墨烯對可見光的吸收率僅為2.3%，具有高透光度。石墨烯的優異性能不僅激發了研究熱情，還掀起了應用開發和產業化的熱潮。值得注意的是，石墨烯材料的特性嚴重依賴于層數、片層之間的堆垛方式以及片層內的原子排列狀況。為了建立二維材料結構與性能的對應關系，以便更好地理解二維晶體優異的理化性質，實現批量和高質量的制備并發展其應用，二維晶體顯微結構的精準表征顯得尤為重要。

顯微技術為石墨烯及二維晶體的蓬勃發展，尤其在建立材料晶體結構與性能關系方面做出了重要貢獻。光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、掃描探針顯微鏡的成功介入快速提升了人們對二維晶體材料結構與物性關系的理解。特別值得注意的是，球差校正技術的成熟推動了電子顯微鏡在石墨烯原子結構表征方面的應用，使球差校正電子顯微鏡成為繼掃描隧道顯微鏡之后又一種能夠實現石墨烯原子級結構表征的重要工具。此外，球差校正電子顯微鏡結合電子能量損失譜分析可以實現單個原子的化學性質探測，為二維晶體材料結構與物性關系的建立提供了技術手段。

受顯微技術發展的鼓舞和推動，我們編著了本書，旨在介紹各種顯微技術的原理及其在二維晶體研究中的應用。本書共分為7章。第1章介紹了二維材料的基礎知識（包括發現歷史、結構和性能）第2～第6章分別介紹了電子衍射、高分辨透射電子顯微術、高分辨掃描透射電子顯微術、能譜分析和原位透射電子顯微術在二維晶體結構特性研究方面的進展。第7章介紹了透射電子顯微術之外的表征技術，包括光學顯微術、掃描電子顯微術、低能電子顯微術、掃描探針電子顯微術。

本書編寫過程中，南方科技大學林君浩教授等為本書的編寫提供了寶貴的意見，在此向他們表示衷心的感謝。東南大學納皮米中心的研究生沈昱婷、余開浩、王文、張輝、張弘韜、熊雨薇、辛磊、文一峰在資料收集、核對及圖文工作中投入了大量的勞動，在此一并致以謝意。

由于編著者水平有限，加之時間倉促，書中難免有不當之處，懇請專家和讀者批評指正。

編著者

2018年7月