米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米材料研究部[研究部主任 Tsuyoshi Sasaki] 电子显微镜小组 Ryonori Senga，首席研究员兼研究部首席研究员 Kazutomo Suenaga，维也纳大学、罗马 Sapienza 大学 La Sapienza、JEOL Ltd [总裁兼首席运营官 Izumi Oi] Shigeyuki Morishita 使用新开发的电子显微镜，晶格振动) 测量为波的方法。结果，它只有一个原子厚石墨烯我们首次能够测量单个晶格的振动。
晶格振动与热传导、电传导和光学特性等材料特性密切相关，因此在考虑纳米材料的器件应用时，详细的了解至关重要。然而，传统方法只能从大量样品中获得平均信号，并且可测量的样品存在限制。新开发的技术是利用构成原子的原子核和电子的位置因原子振动而发生轻微移动的事实来测量晶格振动的能量和动量的方法。使用这种方法，原则上可以从10 nm的局部区域测量任何材料的晶格振动。这使得直接测量各种纳米材料的晶格振动成为可能，而迄今为止，这些材料一直受到理论计算的影响，从而可以为材料科学的发展做出巨大贡献。此外，从工程角度来看，有望为性能受晶格振动直接影响的热电元件、光电器件、超导体等的研究和开发做出贡献。
该成就详情请参考自然
 |
| 晶格振动产生的波的图像 |
随着近年来纳米器件的小型化，详细了解纳米材料的特性是提高纳米器件性能的关键。特别是，需要详细了解涉及热传导、电传导和光学性质等各种性质的晶格振动，因为它会影响纳米器件的能量效率。晶格振动具有能量和动量，并且可以表现为波或粒子。通过精确测量晶格振动的能量和动量，可以提取不同的波分量。例如，这使得仅提取影响热传导的波分量并讨论纳米材料的热物理性质成为可能。到目前为止，人们已经通过X射线或中子束光谱法测量了材料的晶格振动，但可以测量的样品仅限于厚度为几微米至1毫米的块状样品。另外，使用传统的电子显微镜电子能量损失谱 (EELS)约为1 eV，并且一开始就不可能测量晶格振动的信息。尽管使用X射线或中子束的光谱具有足够的能量分辨率，但它在较宽的范围（1微米）内获得平均信号，使得无法局部测量石墨烯等许多纳米材料的晶格振动，这可能会导致材料或材料中的缺陷边缘的影响无法讨论。因此，为了阐明超导机制（被认为涉及晶格振动但其细节尚不清楚）以及某些热电材料中出现的低导热率机制，需要一种高精度和高灵敏度测量晶格振动的方法。
AIST 专注于纳米材料分析低加速电子显微镜的开发低加速电子显微镜实现了高空间分辨率并减少了对观察样品的损害，并为纳米材料的许多研究做出了贡献（2010 年 12 月 16 日 、2014 年 9 月 16 日、2015 年 7 月 31 日、2018 年 4 月 19 日 AIST 新闻稿）。这些努力主要集中在结构分析上，但为了扩大使用电子显微镜进行材料分析的可能性，我们还一直致力于开发同时评估样品物理性质的方法。
这项开发得到了日本学术振兴会科学研究补助金“低维材料原子级物理性质评估方法的开发（2017-2020）”和“单原子光谱进展研究（2016-2020）”的支持。
低加速度，具有世界最高水平的能量分辨率（20 至 30 meV）电子显微镜单色仪这使得检测由晶格振动引起的微小信号成为可能。此外，我们设计了一种新的电子光学系统，实现了世界最高水平的空间和能量分辨率，并开发了一种可以测量10 nm或更小范围内晶格振动的能量和动量的装置。通过同时测量能量和动量，我们能够研究晶格振动的不同波特性（振动模式）。低加速度电子显微镜的开发和调整是与日本电子株式会社合作进行的，纳米材料晶格振动的测量是与维也纳大学合作进行的。此外，罗马第一大学进行了理论计算，并将振动模式解释为通过实验获得的波。
 |
| 图1 新开发的具有世界最高水平能量分辨率的电子显微镜 |
使用X射线和中子束的传统光谱学利用作用在相邻原子之间的电力（极化）来测量晶格振动，因此当相邻原子类型不同且具有极性时可以测量晶格振动，但无法测量由所有相同原子组成的非极性物质的晶格振动。新开发的测量方法仅选择性地测量靠近原子核并在穿过样品的电子束中严重散射的电子，从而可以利用每个原子产生的极化来测量晶格振动。石墨烯的晶格振动，实际上是一种非极性材料声音模式和光学模式的测量结果如图 2 上半部分所示。这些实际测量结果与我们独立开发的模拟结果非常吻合（图 2 底部）。这表明即使在非极性材料中，这种测量方法也可以提供由晶格振动引起的强信号。通过使用这种测量单个原子产生的极化而不是相邻原子之间的极化的方法，可以测量晶格振动，而不管相邻原子的极性如何。
 |
| 图2 石墨烯晶格振动各振动模式的能量和动量测量值（上）和模拟结果（下） |
通过使用新开发的设备，空间分辨率较传统方法的1 µm有了显着提高，并且可以在约10 nm的范围内测量晶格振动的能量和动量，使得捕获材料中缺陷和边缘周围的局部晶格振动成为可能。我们实际上测量了生长在石墨片顶部的细长石墨烯（石墨烯纳米带）的晶格振动，并绘制了每种振动模式中声波模式（图 3 顶部中心）和光学模式（图 3 右上）的强度。我们发现，只有声波模式显示出强信号，与石墨烯纳米带边缘和样品上的杂质周围的其他位置（图 3 底部中心和右下）不同。由于声波模式与材料的热性能直接相关，因此石墨烯的边缘预计会表现出与石墨烯其余部分不同的导热性能。在实际材料开发中，必须容忍一定程度的缺陷，因此对纳米尺度局部结构敏感的材料评估方法预计在未来变得越来越重要。
此外，由于晶格振动反映了原子的质量，因此本次开发的方法可以用于识别同位素元素，这可能有助于未来微量放射性同位素物质的检测以及核裂变和化学反应的跟踪。
 |
| 图3石墨烯各局部振动模式的强度测量示例 |
使用这次开发的方法，我们的目标是阐明各种未解决的物理现象的机制，据说这些物理现象受到晶格振动的影响，例如超导性。此外，我们将进一步提高空间和能量分辨率，并阐明晶格振动与各种材料的物理性质之间的关系，从而为开发高效热电元件和光电器件材料做出贡献，最大限度地减少晶格振动造成的能量损失。