日本电子JEM-ARM300F2球差电镜助力重大科研突破登顶《Nature》解锁六方金刚石奥秘

近日，郑州大学物理学院博士研究生来守龙、杨西贵教授和南京大学施九洋博士以论文共同第一作者，郑州大学单崇新教授、杨西贵教授、程少博教授以及南京大学孙建教授以论文共同通讯作者，在国际顶级期刊《Nature》发表题为“Bulk hexagonal diamond”的重磅研究成果，成功合成毫米级纯相六方金刚石（HD），一举解决了困扰科学界近 60 年的六方金刚石存在性及形成机制问题，为超硬材料研发与应用开辟全新方向。在这项里程碑式的研究中，日本电子 JEM-ARM300F2 球差校正透射电子显微镜 作为核心表征设备，凭借超高分辨率的原子级成像与精准的谱学分析能力，为六方金刚石的结构鉴定、物相确认提供了无可替代的关键数据，成为研究成果发表的重要技术支撑之一。

六方金刚石（又称朗斯代尔石）因兼具超高硬度、优异热稳定性等特性，被视为下一代超硬材料的核心候选，但长期以来因难以合成纯相体材料，且其结构易与含堆垛层错的立方金刚石混淆，其物相真实性始终存在争议。郑州大学研究团队通过高温高压技术从高定向热解石墨中合成出毫米级纯相六方金刚石，而要证实这一成果，必须实现原子尺度的结构观测与精准表征 —— 这一关键任务由日本电子 JEM-ARM300F2 球差电镜完美完成。

作为日本电子旗舰级球差校正电镜产品，JEM-ARM300F2 搭载先进12极子球差矫正器系统，可实现 300kV 下的原子级分辨率成像，同时集成316mm2超大面积能谱仪（EDS）与Gatan公司电子能量损失光谱（EELS）模块，兼具结构成像与成分、价键态分析的综合能力，成为材料微观表征的 “黄金标准”。在本次研究中，该设备发挥了三大核心作用，为研究结论提供了直接且确凿的实验证据：

原子级结构精准成像，锁定六方金刚石特征：研究团队利用 JEM-ARM300F2 的扫描透射环形暗场像模式（ADF-STEM）模式，分别沿 [100] 和 [001] 晶轴对六方金刚石样品进行原子分辨率成像，清晰捕捉到六方金刚石特有的 ABAB 堆叠序列，以及 [001] 方向上完美的六方晶格和六重对称结构，直观区分于立方金刚石的 ABCABC 堆叠与中心含碳原子柱的结构特征（如下图1所示）。设备的超高分辨率让研究人员得以观察到纳米尺度的层状形貌，确认了六方金刚石与前驱体石墨的取向关系，为物相鉴定奠定了最直接的结构基础。

图1. Atomic structure of the bulk HD recovered from 20 GPa and 1,300 °C.

 

多模式谱学分析，验证纯相与价键特征：JEM-ARM300F2 采用冷场发射电子枪，具备高亮度和高能量分辨率，为配备的 EELS 模块实现了碳 K 边的精准检测，明确证实六方金刚石中所有 C-C 键均为 sp³ 杂化，无石墨 sp² 杂化或其他杂质信号；通过低能损失 EELS 测量获得等离子体能量 33.75 eV，对应六方金刚石密度为 3.51 g・cm⁻³，与立方金刚石接近密度，进一步验证了样品的纯相性。同时，EDS 元素面分布分析确认了样品中碳元素的均匀分布，排除了杂质干扰，为六方金刚石的纯相合成提供了谱学证据。

衍射与成像联动，排除物相混淆可能：结合选区电子衍射（SAED）与快速傅里叶变换（FFT）功能，JEM-ARM300F2 对样品多个区域的衍射花样进行采集，均呈现出六方金刚石的特征衍射斑点，且无立方金刚石的禁戒反射信号，证实了样品的结构均一性与高结晶度。这一结果有效排除了 “六方金刚石为含堆垛层错的立方金刚石” 的争议，为六方金刚石作为独立碳物相提供了关键衍射证据。

此外，JEM-ARM300F2 的高稳定性与精准的实验参数控制，确保了在超薄样品表征中获得高信噪比的原子像与谱学数据，完美匹配了六方金刚石纳米层状结构的表征需求，为研究团队解析六方金刚石的原子结构、生长机制提供了稳定且可靠的技术保障。

此次郑州大学研究团队借助 JEM-ARM300F2 取得的《Nature》成果，再次印证了日本电子球差校正电镜在前沿材料科学研究中的核心价值。从超硬材料的原子级结构解析，到新型纳米材料的物相鉴定，再到能源、半导体等领域的微观表征，JEM-ARM300F2 以其超高分辨率、多技术融合、高稳定性的技术优势，持续为全球科研工作者提供突破型的表征解决方案，助力科研人员解锁材料微观世界的奥秘，推动重大科研成果的诞生。

目前通讯作者程少博教授团队购置并安装在河南省科学院的两台JEM-ARM300F2已经安装并通过项目验收，这两台设备目前是河南省省内唯一通过正式验收后正常运行且配置最强大的球差电镜组合，相信这两台设备的运行能带来更多更好的科研成果。

未来，日本电子将继续以顶尖的电镜技术为核心，深耕材料、生命、半导体等前沿科研领域，为全球科研与产业界提供更精准、更全面、更高效的微观表征设备与技术支持，成为科研突破的 “助推器” 与技术创新的 “同行者”，与全球科研人员共同探索微观世界的无限可能。

 

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10212-4