科学家将单原子振动光谱学的灵敏度提高到化学键的水平
发布时间：2023-05-11 08:00:00 阅读数： 133
了解原子在化学键水平上的振动模式的关系对于材料科学的发展是非常宝贵的。范德比尔特大学和中国科学院大学的一项新的合作研究观察到了导电材料硅和石墨烯的振动模式，这是该领域的一个突破。
了解原子振动模式至关重要，因为除其他外，它们决定了一种材料的传热能力。计算机和智能手机中的半导体的运作取决于适当的热管理。纳米光子学是纳米技术的一个分支，也需要仔细的热量控制。纳米光子学，有时也被称为纳米光学，是光子学的一个分支领域，主要是了解光在纳米尺度上的表现以及纳米大小的物体如何与光互动。
目前的研究成功地推动了单原子振动光谱学灵敏度的化学键-构型极限。研究人员展示的测量石墨烯中硅杂质附近单个原子的振动模式的过程，有可能完全改变导热材料和为电子和电池提供动力的结构的设计方式。石墨烯也被称为 "神奇的材料"，由于对其振动特性进行了新的、精确的研究，现在人们对它有了更好的了解，这对石墨烯在从超级计算机到用于化学和生物传感的纳米天线等方面的应用具有重大影响。
研究人员展示了杂质原子的原子质量和化学键配置如何在单原子水平上影响局部振动特性。他们通过结合实验和理论方法做到了这一点。
扫描透射电子显微镜（STEM）和电子能量损失光谱（EELS）。
这项研究采用的实验技术包括扫描透射电子显微镜（STEM）和电子能量损失光谱（EELS）测量。研究小组投入了大量的工作来提高这些仪器的稳定性，以确保获得可重复的、高度敏感的数据用于分析。
在扫描透射电子显微镜（STEM）中，显微镜的镜头可以被调整，以创造一个聚焦的会聚电子束来探测正在研究的样品。
然后，样品被这个集中的探针扫描，许多信号被逐点收集以形成图片。
STEM中的样品通常用乙酸铀染色。乙酸铀导致样品中的电子密度很高，这增强了图像的对比度。
电子能量损失光谱（EELS）可以在STEM中进行。一束电子在STEM中被加速到能量，一般在100KeV和1MeV之间。由一块薄的材料组成的样品，通常厚度小于50纳米，被电子束穿过。操作员可以通过电子束与样品的相互作用发现样品的信息，包括存在的化学元素、化学计量、能量水平、电子结构等等。
来自主光束的电子和来自样品的电子之间的非弹性相互作用是EELS方法的主要重点。
EELS中使用的一次电子通常在0 eV和3 keV之间经历能量损失。均匀磁场对EEL光谱仪中带电电子的分散特性被用来计算这种能量损失。
实验结果
研究小组对单层石墨烯中不同硅（Si）点缺陷应用STEM和EELS产生的结果进行了分析。
在大约100meV的能量损失区域，与Si-C3缺陷相比，Si-C4缺陷产生的振动信号更强。单一杂质的两种缺陷排列显示出不同的振动模式。
研究人员进行了逐个原子的检查，集中在杂质周围的碳原子上，以评估这两种缺陷的扩展效应，发现缺陷只对最近的相邻碳原子有明显的影响。石墨烯中相互靠近的碳原子实际上是正常行动的。
令人惊讶的是，在这两种具有不同键合排列的Si点缺陷中，研究人员发现了低能声子峰在频率上的变化对
最接近的相邻碳原子的频率变化。结合这一发现和密度函数理论计算，研究小组证明了这两种缺陷的振动模式，主要由局部构型对称性控制，是造成硅和最接近的碳原子的不同振动信号的原因。
研究小组还研究了一个质量小得多的不同缺陷--所研究的氮，在缺陷形式N-C3中。与Si-C3相反，负责大部分光学声子模式的高频峰，是振动变化最突出的地方。观察到最近的邻居的延伸是持续的。
展望
为了深入了解二维材料中由缺陷引起的物理现象，这项工作实现了对石墨烯中点缺陷振动特性的精确测定，并提高了单原子振动光谱测量化学键强度的能力。纳米光子学的进步可以从这项研究中获得的结果中受益，从而设计出精确的材料特性。
参考资料
Xu, M., Bao, DL., Li, A. et al. Single-atom vibrational spectroscopy with chemical-bonding sensitivity. Nat. Mater. (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01500-9
Hage, F. S., Radtke, G., Kepaptsoglou, D. M. et al. (2 more authors) (2020) Single-atom vibrational spectroscopy in the scanning transmission electron microscope. Science. pp. 1124-1127. ISSN 0036-8075
Chinese Academy of Sciences. (March 23, 2023). Single-atom vibrational spectroscopy now sensitive at level of chemical bonds. [Online] ChemEurope.com. Available at: https://www.chemeurope.com/en/news/1179925/single-atom-vibrational-spectroscopy-now-sensitive-at-level-of-chemical-bonds.htm
