【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】材料的聲子色散曲線(晶格振動頻率與動量空間中波矢的關(guān)系)是描述晶格振動規(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。直接測量聲子色散曲線要求測量手段具有高動量分辨能力，以區(qū)分不同波矢下的振動頻率差異。早期研究者利用非彈性X射線/中子散射譜、高分辨反射式電子能量損失譜等技術(shù)對材料中的聲子色散關(guān)系進(jìn)行了大量研究。然而，由于入射源波長的限制，對局域納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行高空間分辨的聲子色散測量仍是一個不小的挑戰(zhàn)。近年來，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、動量分辨和能量分辨的獨(dú)特優(yōu)勢而廣受關(guān)注，成為研究材料中局域晶格振動特征的重要表征手段。值得注意的是，動量分辨STEM-EELS所得振動譜的強(qiáng)度會沿倒空間不斷變化，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)展動量分辨STEM-EELS以實(shí)現(xiàn)局域結(jié)構(gòu)中聲子色散曲線的直接測量，同時(shí)開發(fā)先進(jìn)的聲子譜理論計(jì)算方法以精確解析STEM-EELS譜中振動信號的物理含義，對深入理解高能入射電子與晶格振動之間的相互作用以及揭示材料中與晶格振動相關(guān)的特殊物性具有重大的研究意義。
 

　　近期，中國科學(xué)院大學(xué)的周武教授研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合動量分辨STEM-EELS振動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布里淵區(qū)范圍內(nèi)不同Γ點(diǎn)處光學(xué)聲子信號系統(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)滿足 h+2k="3n 的關(guān)系時(shí)，該點(diǎn)處光學(xué)聲子信號消失。根據(jù)基于van Hove formalism理論的EELS振動譜散射截面公式，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)兩個碳原子上產(chǎn)生的非彈性散射信號發(fā)生完全相消干涉導(dǎo)致。在之前的STEM-EELS振動譜理論研究中，不同原子上產(chǎn)生的散射信號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)通過實(shí)驗(yàn)首次揭示該因素在石墨烯光學(xué)聲子信號系統(tǒng)性的消失中扮演關(guān)鍵角色。
 

圖1 不同動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稱原子對組成的材料中，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(圖2)。對于上述現(xiàn)象，該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為對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振動譜散射截面理論的范圍內(nèi)。該研究團(tuán)隊(duì)還通過冷凍聲子多片層模擬方法對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)聲子信號的強(qiáng)度變化趨勢(圖3)，從而對厚樣品中多重散射對于聲子信號的調(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)聲子信號消失的機(jī)制，重點(diǎn)突出了源于不同原子的散射信號間的干涉對于振動譜信號的影響，并將該理論推廣至其它由相同元素的對稱原子對組成的材料中。此外，該研究還首次從實(shí)驗(yàn)角度證實(shí)了多重散射對于厚樣品振動譜信號的影響。上述研究展示了光學(xué)聲子信號系統(tǒng)性消失和入射電子在材料中的多重散射對STEM-EELS振動信號的調(diào)制，對于正確解析樣品局域結(jié)構(gòu)處的振動譜具有重要意義。
 

　　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，中國科學(xué)院大學(xué)18級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、中國科學(xué)院大學(xué)已畢業(yè)的博士許名權(quán)和中國科學(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，以及國科大電子顯微學(xué)實(shí)驗(yàn)室的支持。