晶格中的缺陷會(huì)導(dǎo)致原子密度的調(diào)制，這會(huì)導(dǎo)致納米級(jí)相關(guān)靜電的變化。由于傳統(tǒng)相位對(duì)比成像固有的復(fù)雜對(duì)比度轉(zhuǎn)移，使用透射電子顯微鏡繪制這些空間變化的電荷波動(dòng)通常具有挑戰(zhàn)性。為了克服這一點(diǎn)，我們使用四維掃描透射電子顯微鏡（4D-STEM）測(cè)量單層中點(diǎn)位錯(cuò)附近的靜電場(chǎng)。石墨烯中（1,0）邊緣位錯(cuò)核中原子密度的不對(duì)稱性導(dǎo)致部分位錯(cuò)核中的電場(chǎng)局部增強(qiáng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬，電場(chǎng)大小的增加表明是由最近原子鄰居之外的“長(zhǎng)程”相互作用引起的。這些結(jié)果為使用4D-STEM量化薄材料中的靜電提供了見(jiàn)解，并繪制出了通過(guò)庫(kù)侖相互作用形成分子和原子鍵的重要橫向電勢(shì)變化。
圖1. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)概述。（a） 實(shí)驗(yàn)示意圖，顯示了與給定探針位置相關(guān)的會(huì)聚電子探針、HAADF探測(cè)器和STEM亮場(chǎng)盤(pán)投影到像素化直接電子探測(cè)器上。（b） （1，0）位錯(cuò)核心的HAADF圖像概覽。比例尺為1 nm。（c） （1，0）位錯(cuò)核的原子模型。（d和g）同一位錯(cuò)核的實(shí)驗(yàn)和模擬高放大率HA-ADF圖像。視場(chǎng)由面板b中的插圖區(qū)域1給出。（e和h）分別用相干4D-STEM數(shù)據(jù)計(jì)算的實(shí)驗(yàn)和模擬相位圖像。面板b中的插入?yún)^(qū)域3也給出了視場(chǎng)。關(guān)于如何從4D-STEM數(shù)據(jù)計(jì)算相位圖像的進(jìn)一步解釋，可以在支持信息的第2節(jié)中找到。（f和i）實(shí)驗(yàn)和模擬幾何相位分析（GPA）εyy應(yīng)變場(chǎng)，分別在圖b中插圖1表示的視場(chǎng)內(nèi)計(jì)算。GPA的參考晶格區(qū)域由圖b中的插圖2表示。圖g和h中給出的模擬表示沒(méi)有透鏡像差的理想顯微鏡條件。面板c–i中的比例尺為5Å。
圖2:4D-STEM靜電場(chǎng)結(jié)果。（a） 具有（1，0）位錯(cuò)核的石墨烯片的結(jié)構(gòu)模型用紅色勾勒。插圖區(qū)域1定義了面板b–e的視野。插圖區(qū)域2定義了面板f和g的視野。位錯(cuò)芯的七邊形內(nèi)的圓周紅色箭頭定義了面板h–j中所示的線圖的路徑。紅色虛線表示面板k和l中所示的線輪廓的路徑。（b）未測(cè)量和（c）密度泛函理論計(jì)算中的涂抹（σ=0.65Å）靜電勢(shì)。（d） 帶有箭頭疊加的實(shí)驗(yàn)EPC圖像表示動(dòng)量轉(zhuǎn)移到電子探針的方向和大小。（e） |EPC|的畸變4D-STEM多層模擬。支持表2中提供了像差系數(shù)和圖像模擬的細(xì)節(jié)。兩個(gè)視場(chǎng)都對(duì)應(yīng)于面板a中的插入?yún)^(qū)域1。（f）實(shí)驗(yàn)|EPC|圖像，視場(chǎng)顯示在面板a中區(qū)域2中，使用獨(dú)立原子導(dǎo)出電勢(shì)的4D-STEM模擬（i）和不使用圖像模擬的DFT計(jì)算（j）。透鏡像差（支持表2）包括在4D-STEM模擬中，并反映在面板e(cuò)和i中。線圖路徑對(duì)應(yīng)于面板a中用箭頭表示的圓形輪廓。（k和l）實(shí)驗(yàn)和DFT導(dǎo)出的|EPC|圖像的線性線輪廓，分別對(duì)應(yīng)于面板f和g。線條輪廓對(duì)應(yīng)于面板a中的虛線。七邊形環(huán)的內(nèi)部對(duì)應(yīng)于用藍(lán)色虛線勾勒的區(qū)域。所有比例尺均為5Å。
圖3.實(shí)驗(yàn)電荷密度和與HRTEM的比較。（a） 具有紅色（1，0）位錯(cuò)核的石墨烯片的結(jié)構(gòu)模型。比例尺為1 nm。（c） 來(lái)自面板b的低通濾波圖像，顯示了核電荷密度的過(guò)剩（紅色）和不足（藍(lán)色）。比例尺為1 nm。（d） 結(jié)構(gòu)模型，顯示5–7位錯(cuò)核心，與4D-STEM研究中顯示的位錯(cuò)核心相似。（e） 使用單色源的石墨烯位錯(cuò)的像差校正相位對(duì)比度TEM圖像。該圖像是五個(gè)圖像的平均值，以提高信噪比。盡管HRTEM圖像與相位成比例，但很難從數(shù)據(jù)中估計(jì)出準(zhǔn)確的相位角，因此校準(zhǔn)條沒(méi)有單位。（f） 顯示與|E
PC|相似的特征的面板e(cuò)的梯度；然而，單位無(wú)法準(zhǔn)確確定，觀察到的信號(hào)由對(duì)比度傳遞函數(shù)調(diào)制，混淆了|E
PC|的定量研究。
圖4. 五邊形原子對(duì)電場(chǎng)增強(qiáng)的影響。（a）七邊形環(huán)和（d）全七邊形位錯(cuò)核模型的俯視圖和側(cè)視圖。三維結(jié)構(gòu)松弛的效果在側(cè)視圖中是明顯的。（b和e）分別根據(jù)面板a和d中的模型計(jì)算的4D-STEM|EPC|模擬。圓周線形和頂點(diǎn)索引分別用紅色箭頭和白色文本表示。比例尺為1Å。（c和f）分別來(lái)自圖h和k中所示路徑的線剖面圖，表明局部|EPC|增強(qiáng)主要來(lái)自圖3的圖a和c中所示的核電荷密度的增加。
圖5.沿晶界的五邊形-七邊形對(duì)的4D-STEM研究。（a和b）4D-STEM|E
PC|和低角度晶界的相位圖像。插入的白色邊界對(duì)應(yīng)于面板c和d的視野。比例尺為10Å。（c） 低角度晶界的結(jié)構(gòu)模型，注釋描繪了線圖路徑a和b。結(jié)構(gòu)模型的原子位置是根據(jù)面板b中的相位圖像確定的，如支持圖12所示。（d） |E
PC|的多切片模擬，使用面板c中的模型使用獨(dú)立原子模型生成。比例尺為5Å。（e和f）ROI的近距離原子模型，分別顯示線圖路徑a和b。（g和h）|E
PC|的特寫(xiě)視圖，分別對(duì)應(yīng)于面板e(cuò)和f中所示的視場(chǎng)。（i和j）圖e–h中所示區(qū)域的4D-STEM圖像模擬。（k和l）分別來(lái)自路徑a和b的實(shí)驗(yàn)和模擬|E
PC|的線圖的比較。
相關(guān)研究成果由德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Jamie H. Warner等人2023年發(fā)表在Nano Letters (https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00328)上。原文：Mapping Nanoscale Electrostatic Field Fluctuations around Graphene Dislocation Cores Using Four-Dimensional Scanning Transmission Electron Microscopy (4D-STEM)。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
