挠痒痒地研究纳米材料中的原子杂质

动画显示了石墨烯晶体中硅原子的振动能。

在纳米技术前沿工作的科学家面临着巨大的挑战。

材料中单个原子的位置可以改变该材料的基本特性，因此科学家需要在工具箱中测量一些东西，以测量该原子的行为。

由利兹大学领导的研究小组与法国巴黎索邦大学的同事合作，首次表明可以开发与音叉概念大致无关的诊断技术。

施加能量时，音叉会产生固定的音调-在这种情况下，当音叉被敲击时。但是，如果以某种方式改变了前叉，它就会不合时宜-音调也会改变。

研究小组正在使用的技术涉及在固体中的单个原子上发射一束电子。能量流使它及其周围的原子振动。这就产生了一个独特的振动能量指纹，类似于音叉的固定音调，可以用电子显微镜记录下来。但是，如果存在单个原子杂质，则另一化学元素（例如，该杂质的振动能指纹）将发生变化：材料在此精确位置处将“听起来”不同。

从电子显微镜拍摄的图像显示了石墨烯晶体中硅的单个原子。它色彩鲜艳，位于图像的左侧。

这项研究开辟了科学家能够监视材料中原子杂质的可能性。

研究结果《扫描电子显微镜中的单原子振动光谱法》已经发表在《科学》杂志上。

利兹大学高级电子显微镜教授Quentin Ramasse表示：“我们现在有直接的证据表明，固体中的单个“外来”原子可以在原子尺度上改变其振动特性。

“这已经被预测了几十年，但是还没有任何实验技术可以直接观察这些振动变化。我们已经能够首次证明您可以原子精度记录该缺陷签名。”

研究人员使用了由英国工程和物理科学研究委员会支持的英国高级电子显微镜国家研究机构SuperSTEM实验室。该设施设有世界上一些最先进的设施，用于研究物质的原子结构，并在由利兹大学（还包括牛津大学和约克大学）牵头的一个学术联盟的主持下运作以及曼彻斯特，格拉斯哥和利物浦）。

带有振动的“指纹”

科学家在一个大型石墨烯晶体中发现了一个硅杂质原子（一种碳的形式只有一个原子厚），然后将电子显微镜的光束直接聚焦在那个原子上。

拉马斯教授说：“我们正在用电子束撞击它，这使硅原子到处移动或振动，在此过程中吸收了入射电子束的一些能量，并且我们正在测量被吸收的能量。”

索邦大学的Guillaume Radtke博士参与了该项目，他说：“我们观察到的振动响应是该特定硅原子在石墨烯晶格中的位置所特有的。”

“我们可以预测它的存在会如何扰乱周围的碳原子网络。这些实验代表了一项真正的技术成就，因为我们现在能够以原子精度测量如此微妙的变化。”

参考：F. S. Hage，G。Radtke，D.M。Kepaptsoglou，M。Lazzeri和Q.M. Ramasse的“扫描透射电子显微镜中的单原子振动光谱法”，Science.DOI：
10.1126 / science.aba1136

该研究由工程和物理科学研究委员会资助。