单原子振动光谱现在在化学键水平上敏感

由中国科学院大学(UCAS)的周武教授和范德堡大学的Sokrates T. Pantelides教授领导的研究人员将单原子振动光谱的灵敏度推向了化学键构型的极端，这对于理解晶格振动特性与材料中局部原子构型的相关性至关重要。

通过实验和理论方法的结合，研究人员证明了化学键构型和杂质原子的原子质量对单原子水平局部振动特性的影响。

该研究发表在Nature Materials上。

在这项研究中，研究人员研究了单层石墨烯中两种类型的硅(Si)点缺陷的原子振动：Si-C3缺陷，由一个碳(C)原子被Si原子取代而产生，并与最近相邻的C原子形成具有三个键的原子缺陷;和 Si-C4缺陷，当两个C原子被一个Si原子取代并导致具有四个键的缺陷时形成。

硅-C4缺陷产生的振动信号比Si-C强3据研究人员称，能量损失区域在100 meV左右的缺陷，表明相同杂质的两种缺陷配置具有独特的振动模式。

为了检查这两种缺陷的扩展效应，研究人员进行了逐个原子的分析，重点是杂质周围的碳原子，发现这些缺陷只对最近的相邻碳原子有明显的影响。下一个最接近的相邻碳原子的行为几乎与石墨烯中的典型碳原子相似。

值得注意的是，研究人员发现，在这两种具有不同键合构型的Si点缺陷中，最近相邻碳原子的低能声子峰发生了不同的频移。通过密度泛函理论计算补充这一发现，研究人员表明，Si和最近相邻C原子的不同振动信号是由两个缺陷的独特振动模式引起的，这两个缺陷主要由局部构型对称性主导。

他们还研究了另一个质量低得多的缺陷 - N-C形式的氮(N)3.与Si-C相比3，振动变化主要反映在高频峰值上，高频峰值占光学声子模式的大部分。最近邻扩展仍然存在。

UCAS团队为提高单色扫描透射电子显微镜(STEM)的稳定性和单色电子能量损失光谱(EELS)测量的灵敏度做出了相当大的努力，使这一实验进展成为可能。

这项工作将STEM中单原子振动光谱的灵敏度提升到化学键的水平，并对石墨烯中点缺陷的振动特性进行了精确测量，为二维材料中的缺陷诱导物理提供了见解。