纳米尺度声子色散在BN纳米管中的四维振动光谱

声子在材料的机械、电学、光学和热学性质中起着重要的作用。在材料科学和凝聚态物理中，对声子色散的测量一直是人们关注的焦点，希望通过测量声子色散来了解和优化材料的力学性质。然而，这样的测量对于晶体缺陷、异质界面和纳米结构是非常具有挑战性的，因为这些微小的尺寸需要高空间分辨率和高检测灵敏度。尽管尖端增强拉曼光谱和扫描近场光学显微镜可以达到纳米空间分辨率，但它们的动量转移远小于典型的布里渊区(BZ)大小，因此高动量声子难以接近。其他振动光谱技术,如x射线和中子非弹性散射可以测量大量晶体声子分散体系,但缺乏空间分辨率(受限于他们的梁尺寸和低敏感性)导致散射信号平均值大晶体或纳米结构的集合体,因此,从而排除了单个纳米结构中声子色散测量。

       扫描透射电子显微镜(STEMs)中像差校正器和单色器的最新发展使得具有10meV能量分辨率和原子空间分辨率的千伏电子束得以在过去十年中将电子能量损失谱(EELS)测量扩展到晶格振动特性。许多空间分辨测量，如原子分辨声子光谱学，声子极化子(PhP)映射，同位素识别和温度测量，现在都可以实现了。最近，还报道了用STEM-EELS对六方氮化硼(h-BN)和石墨片进行动量分辨振动测量。虽然之前的研究已经证明了该技术的高灵敏度和大动量转移范围，但他们只关注于在空间上基本均匀的薄片和二维(2D)薄片，因此没有利用电子显微镜的高空间分辨率。串行采集方法的长采集时间(单个空间位置的每个色散图长达10小时)也排除了执行2D扫描甚至行扫描的可能性。迄今为止，就我们所知，在单个纳米结构中测量纳米尺度位置相关声子色散还没有报道过。

        近日，来自北京大学物理学院的高鹏教授团队报告了一种有效的采集方法，用于单个纳米结构中声子色散的实空间映射。利用缝隙孔径，可以在较短的采集时间内并行获取声子色散数据。能够利用这项技术增加两个空间尺寸，并在纳米尺度上在单个纳米结构中实现四维EELS(4D-EELS)测量。作为一个模型系统，氮化硼纳米管(BNNTs)显示出显著的机械、热和纳米光学特性，具有广泛的应用前景，如纳米电子学和低损耗极化器件的热导体。相关工作发表在《Nature communications》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21452-5