氢广泛存在于储氢、催化以及量子等材料体系中，其局域占位、含量及空间分布直接影响材料的结构稳定性和功能特性。然而，氢是元素周期表中最轻的元素，对电子和X射线的散射极弱，在含重元素的材料中，其微弱信号更容易被强散射背景掩盖。因此，虽然中子衍射等方法可以测定氢在晶体中的平均占位信息，如何在实空间直接确定氢原子的位置、占位含量及其三维非均匀分布，长期以来仍是材料表征领域的重要挑战。

　　多片层电子叠层成像（multislice electron ptychography，MEP）通过反演电子在样品中的多重散射过程，可以突破传统电子显微技术的成像限制，兼具超高横向分辨率、纳米尺度深度分辨能力和轻元素灵敏度，是近年来电子显微学的重要发展方向之一。此前，利用该技术陈震团队主导实现了MEP的关键技术突破（Science 372, 826 (2021)），并与合作者实现了双层镍基高温超导中氧空位和间隙氧的原子尺度定量表征（Nature 630, 847 (2024)；Nature Materials 24, 1927 (2025)）、AlScN中三维极化畴壁解析（Physical Review Letters 136, 026801 (2026)）以及液氮温区铁电偶极玻璃态的原子尺度成像（Nature Nanotechnology, doi:10.1038/s41565-026-02260-8 (2026)），为进一步研究最轻元素氢奠定了技术基础。

　　近日，北京凝聚态物理国家研究中心/中国科学院物理研究所先进材料实验室的陈震团队与合作者在MEP基础上引入能量过滤，有效抑制非弹性散射对重构的干扰，并建立金属氢化物高质量电镜样品制备流程，显著提高氢原子信号的清晰度和定量可靠性，实现了金属氢化物中氢原子位置、含量及三维空间分布的原子尺度定量测定。研究首先以TiH₂为模型体系，直接确定氢占据四面体间隙位，并结合电子散射模拟得到氢含量接近2。团队进一步在局域化学环境更复杂的TiZrHfMoNbHₓ高熵合金氢化物中，实现了氢含量定量和皮米精度的位置测定，发现氢在三维空间中呈现显著非均匀分布，同时，氢的引入显著减弱了高熵合金固有的局域晶格畸变。该研究将电子显微学对轻元素的定量表征能力进一步拓展至最轻的氢元素，为直接揭示缺陷、界面、化学无序和局域应变环境中的氢分布及其与材料结构、性能之间的联系提供了新的实验手段。

　　该成果以“Atomic-Scale Quantification of Hydrogen in Metal Hydrides by Electron Ptychography”为题发表于《Science Advances》。物理所博士后李鹏程、清华大学博士生潘政麟为共同第一作者；物理所陈震特聘研究员、李鹏程和清华大学谷林教授为论文通讯作者。本工作还得到中物院申华海研究员、西安交通大学苏钲雄博士和南方科技大学蔡超博士等的合作支持，并得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和苏州实验室开放研究基金等项目资助。

　　文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed5872。

图. 电子叠层成像实现金属氢化物中氢原子的原子尺度成像、定量及三维分布。 A. TiZrHfMoNbHₓ多片层电子叠层成像重构相位图；B. 沿M-H-M方向的相位大小分布；C. 金属与氢原子柱的相位统计直方图，氢的平均含量为0.84 H/M；D. 金属-金属、金属-氢原子柱间距的统计直方图，实现了皮米级的氢原子定位；E. 氢原子的不同深度的不均匀分布；F. 金属和氢在深度方向的原子位置的偏移。