晶體中的缺陷結(jié)構(gòu)會通過影響散射聲子影響聲子譜，導(dǎo)致材料的熱力學、傳熱性質(zhì)變化，為了精確的表征缺陷對固體中導(dǎo)熱、熱擴散的影響，理解聲子-缺陷之間的相互作用非常重要。聲子-缺陷關(guān)系的理論研究比較廣泛，但是實驗相關(guān)研究較為缺乏。這是因為目前大多數(shù)聲子探測實驗技術(shù)中的分辨率難以滿足要求導(dǎo)致，難以對單個缺陷位點附近的局域振動情況實現(xiàn)足夠的分辨率。

主要內(nèi)容

有鑒于此，加州大學爾灣分校潘曉晴、武汝前等報道了單缺陷聲子的實驗觀測，具體通過在透射電鏡TEM中對單個缺陷位點附近進行空間分辨、角分辨振動光譜表征，從而獲得單個缺陷位點附近的聲子振動譜。在立方晶相SiC晶體的缺陷位點上觀測到聲波振動模式中的能量發(fā)生毫伏能量的紅移現(xiàn)象，該缺陷位點上的能量變化限域在納米區(qū)間內(nèi)。該觀測到的結(jié)果打開了通過TEM技術(shù)觀測缺陷位點附近的聲子傳播，為設(shè)計和優(yōu)化材料的熱性質(zhì)提供有效的幫助。

圖1. 高分辨實驗體系表征SiC缺陷位點的聲子譜

通過最近發(fā)展的高精度單色角分辨EELS（電子能量損失譜）、球差STEM（掃描透射電子顯微鏡）技術(shù)，實現(xiàn)了＜10 meV的光譜能量分辨率，從而為高分辨實驗光譜表征提供了技術(shù)支持。從而作者實現(xiàn)了足夠高的動量分辨率、空間分辨率，同時將極化子的信號排除。在實驗中觀測到SiC中缺陷位點由于對稱性缺失產(chǎn)生的局部聲子共振。

實驗設(shè)計

SiC廣泛應(yīng)用于電子器件，但是SiC晶體中因為堆垛層錯導(dǎo)致SiC中存在較多缺陷，能夠顯著影響導(dǎo)熱系數(shù)。同時，通過將3C-SiC擔載于Si基底上，通過SiC和Si之間較高的晶格失配（24.5 %），在SiC中能夠方便的構(gòu)建單個缺陷。

圖2. 高分辨聲子（30~50 meV）譜共振增強效應(yīng)高分辨二維空間分布圖

圖3. 高分辨聲子譜共振效應(yīng)的空間分布

在實驗中觀測到缺陷位點附近納米區(qū)間內(nèi)的聲子共振現(xiàn)象，缺陷位點影響附近-3~3 nm（±0.6 nm）的聲頻聲子（能量30~50 meV），同時得到了二維聲子譜圖。隨后通過角分辨EELS技術(shù)對單個聲子的空間分布情況進行表征，觀測并研究了缺陷結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的聲子紅移現(xiàn)象。

圖4. 高分辨角分辨表征缺陷聲子譜的紅移

作者簡介

潘曉晴教授長期致力于原子尺度的精細結(jié)構(gòu)以及與物性之間關(guān)系的研究。尤其是在氧化物電子學領(lǐng)域，他領(lǐng)導(dǎo)的研究小組是國際上處于領(lǐng)先地位的幾個研究小組之一。

其團隊成功開發(fā)了4D STEM技術(shù)，以亞埃（?）空間分辨率繪制局部電場和電荷密度，直接成像界面電荷分布，實現(xiàn)深入了解鐵電極化的起源和氧化物界面電荷轉(zhuǎn)移過程，把TEM的實際分辨率提高到0.5埃以下，實現(xiàn)了毫秒亞埃水平的實時物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合掃描探針技術(shù)，這種解析度的飛躍使得直接觀察外場作用下的原子動力學動態(tài)過程成為可能。

武汝前教授，開發(fā)與發(fā)展關(guān)于應(yīng)用能帶方法及計算程序，研究復(fù)雜材料的物理和化學性能。在國際上率先研究磁性薄膜及納米磁性材料；發(fā)展了磁晶各向異性，磁光效應(yīng)，磁致伸縮，磁X光二向色性計算方法，并開創(chuàng)性地用第一原理方法定量研究雜質(zhì)和晶界對材料力學性質(zhì)的影響。其研究主要關(guān)注密度泛函理論研究和預(yù)測材料的自旋、磁性、催化、光電等性質(zhì)，開發(fā)新穎的計算方法和軟件。

原文標題：電鏡技術(shù)，開年第一篇Nature！

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