【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】材料的聲子色散曲線(xiàn)(晶格振動(dòng)頻率與動(dòng)量空間中波矢的關(guān)系)是描述晶格振動(dòng)規(guī)律的重要圖像，在理解材料的熱傳導(dǎo)、超導(dǎo)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)相變等機(jī)制中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。直接測(cè)量聲子色散曲線(xiàn)要求測(cè)量手段具有高動(dòng)量分辨能力，以區(qū)分不同波矢下的振動(dòng)頻率差異。早期研究者利用非彈性X射線(xiàn)/中子散射譜、高分辨反射式電子能量損失譜等技術(shù)對(duì)材料中的聲子色散關(guān)系進(jìn)行了大量研究。然而，由于入射源波長(zhǎng)的限制，對(duì)局域納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行高空間分辨的聲子色散測(cè)量仍是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，得益于掃描透射電子顯微鏡(STEM)中電子單色儀的應(yīng)用以及STEM中靈活的電子光學(xué)設(shè)定，動(dòng)量分辨的掃描透射電子能量損失譜(STEM-EELS)技術(shù)因其兼具空間分辨、動(dòng)量分辨和能量分辨的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而廣受關(guān)注，成為研究材料中局域晶格振動(dòng)特征的重要表征手段。值得注意的是，動(dòng)量分辨STEM-EELS所得振動(dòng)譜的強(qiáng)度會(huì)沿倒空間不斷變化，這與入射電子與晶格間發(fā)生非彈性散射的散射截面相關(guān)。因此，發(fā)展動(dòng)量分辨STEM-EELS以實(shí)現(xiàn)局域結(jié)構(gòu)中聲子色散曲線(xiàn)的直接測(cè)量，同時(shí)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的聲子譜理論計(jì)算方法以精確解析STEM-EELS譜中振動(dòng)信號(hào)的物理含義，對(duì)深入理解高能入射電子與晶格振動(dòng)之間的相互作用以及揭示材料中與晶格振動(dòng)相關(guān)的特殊物性具有重大的研究意義。
 

　　近期，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的周武教授研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合動(dòng)量分辨STEM-EELS振動(dòng)譜和冷凍聲子多片層模擬方法，成功揭示了單層石墨烯在多個(gè)布里淵區(qū)范圍內(nèi)不同Γ點(diǎn)處光學(xué)聲子信號(hào)系統(tǒng)性消失的機(jī)制。圖1顯示當(dāng)石墨烯Γ點(diǎn)( hk0 )的指數(shù)滿(mǎn)足 h+2k="3n 的關(guān)系時(shí)，該點(diǎn)處光學(xué)聲子信號(hào)消失。根據(jù)基于van Hove formalism理論的EELS振動(dòng)譜散射截面公式，該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為該系統(tǒng)性消光現(xiàn)象是由于晶胞內(nèi)兩個(gè)碳原子上產(chǎn)生的非彈性散射信號(hào)發(fā)生完全相消干涉導(dǎo)致。在之前的STEM-EELS振動(dòng)譜理論研究中，不同原子上產(chǎn)生的散射信號(hào)之間的干涉通常被認(rèn)為是一項(xiàng)可忽略的因素，而在本研究中，周武教授研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)首次揭示該因素在石墨烯光學(xué)聲子信號(hào)系統(tǒng)性的消失中扮演關(guān)鍵角色。
 

圖1 不同動(dòng)量空間處的石墨烯聲子色散實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 

　　該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步認(rèn)為，類(lèi)似的光學(xué)聲子系統(tǒng)性消失現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)普遍存在于由相同元素的對(duì)稱(chēng)原子對(duì)組成的材料中，并在金剛石體系中進(jìn)行了驗(yàn)證。然而，在金剛石[110]帶軸下，本該發(fā)生系統(tǒng)性消光的(220)處卻出現(xiàn)明顯的光學(xué)聲子信號(hào)(圖2)。對(duì)于上述現(xiàn)象，該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為對(duì)于具有一定厚度的塊體樣品，多重散射是入射電子與樣品之間相互作用中不可忽略的因素，而這不在基于van Hove formalism理論的EELS振動(dòng)譜散射截面理論的范圍內(nèi)。該研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)冷凍聲子多片層模擬方法對(duì)不同帶軸的金剛石樣品的聲子色散進(jìn)行模擬，得到其在不同厚度下光學(xué)聲子信號(hào)的強(qiáng)度變化趨勢(shì)(圖3)，從而對(duì)厚樣品中多重散射對(duì)于聲子信號(hào)的調(diào)制作用進(jìn)行系統(tǒng)描述。
 

圖2 金剛石聲子色散實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 

圖3 金剛石聲子色散模擬結(jié)果
 

　　上述研究結(jié)合先進(jìn)的動(dòng)量分辨STEM-EELS實(shí)驗(yàn)方法和冷凍聲子多片層模擬方法揭示了石墨烯中特定Γ點(diǎn)處光學(xué)聲子信號(hào)消失的機(jī)制，重點(diǎn)突出了源于不同原子的散射信號(hào)間的干涉對(duì)于振動(dòng)譜信號(hào)的影響，并將該理論推廣至其它由相同元素的對(duì)稱(chēng)原子對(duì)組成的材料中。此外，該研究還首次從實(shí)驗(yàn)角度證實(shí)了多重散射對(duì)于厚樣品振動(dòng)譜信號(hào)的影響。上述研究展示了光學(xué)聲子信號(hào)系統(tǒng)性消失和入射電子在材料中的多重散射對(duì)STEM-EELS振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制，對(duì)于正確解析樣品局域結(jié)構(gòu)處的振動(dòng)譜具有重要意義。
 

　　該研究成果以“Systematic Absences of Optical Phonon Modes in Phonon Dispersion Measured by Electron Microscopy”為題發(fā)表2024年7月22日的Physical Review Letters上。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的周武教授與瑞典Uppsala大學(xué)Ján Rusz教授為共同通訊作者，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)18級(jí)博士生李傲雯為第一作者。該論文的共同作者中還包括Uppsala大學(xué)的Paul M. Zeiger博士以及在讀學(xué)生何祖賢、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)已畢業(yè)的博士許名權(quán)和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)卓越客座教授Stephen J. Pennycook。該研究工作獲得了北京高校卓越青年科學(xué)家計(jì)劃項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃等資助，以及國(guó)科大電子顯微學(xué)實(shí)驗(yàn)室的支持。