高鹏课题组发表电子显微技术在纳米声子学中的应用前沿综述
2025-06-26
凝聚态物理的核心研究对象为电子和声子。作为晶格周期性振动的集体激发态，声子不仅是物质的 “量子指纹”，更是决定材料热学、电学、光学等宏观物理性质的关键因素。在纳米尺度下，材料因平移对称性破缺产生的局域声子模式，对其热学输运、电学传导、光学响应及力学性能等物性调控具有深远影响，相关机制已应用于芯片热管理、界面超导等前沿领域。近日，北京大学物理学院量子材料科学中心、电子显微镜实验室高鹏课题组受邀在《美国化学学会·纳米》（ACS Nano）发表综述文章 “纳米声子学的电子显微学研究综述”（ Electron Microscopy for Nanophononics: A Review）。文章以快电子与声子的非弹性散射理论为基石，系统阐述了电镜电子能量损失谱（EELS）探测声子的核心原理，深入剖析能量、空间与动量分辨率的调控机制，辩证探讨空间 - 动量分辨采集模式间的相互制约关系。在此基础上，文章进一步展望了该技术在解析纳米尺度热学、电学、光学等物性方面的广阔应用前景。
一、技术优势：STEM-EELS技术与其他技术的对比
物质中局域声子模式对宏观物性的调控机制至关重要。在热输运领域，缺陷区域的局域振动模态通过增强声子散射显著降低热传导效率，而异质界面附近的声子模则借助非弹性散射桥接失配声子，反向提升界面热能传递效率；电学特性方面，局域模式对电子的散射通常导致电阻增加，但在特定界面构型下，这类振动模式可充当电子关联媒介，诱导或增强超导相变；光学性质调控中，由 “黄方程” 描述的光学声子与电磁场在表面耦合形成的声子极化激元，为设计兼具低损耗与强场局域性的光子器件奠定了物理基础。
然而，揭示这些微观机制仍面临准确表征局域声子的技术挑战。自 1912 年玻恩与冯・卡门提出用色散关系描述声子理论并沿用至今，该理论虽在上世纪五十年代由诺奖得主布鲁克豪斯通过中子衍射在大单晶里得到了验证，但在表界面科学与纳米科学领域，纳米尺度声子色散的直接测量长期未能实现。这一测量需要同时满足高空间分辨率（定位纳米结构）与高动量分辨率（绘制色散曲线），对实验技术要求苛刻。传统表征手段中，非弹性 X 射线 / 中子散射虽具备优异的动量解析能力，但空间分辨率仅达微米级；拉曼光谱虽实现纳米级空间分辨，却只能探测布里渊区中心声子；基于低能电子的表面反射式电子能量损失谱（HREELS）技术，除了空间分辨率有限，也因穿透深度限制，难以解析材料内部结构。近十余年，扫描透射电镜电子能量损失谱（STEM-EELS）实现了突破性进展 —— 其兼具亚纳米级空间分辨、布里渊区全域动量解析能力，且能量分辨精度优于 10 meV、探测范围宽，成为探究局域声子行为的革命性研究工具。
图1. 声子物理性质以及不同探测声子方法的对比
二、基本原理：快电子-声子相互作用与分辨率的调控
在STEM-EELS技术中，空间分辨率与动量分辨率受电子束会聚半角（α）和加速电压等核心参数制约。α是关键调控参数：小α可实现优于0.1nm⁻¹量级的动量分辨率，但空间分辨率降至微米尺度；大α使电子束聚焦至原子尺度，但动量分辨率严重退化。优化α至中间值，可在维持纳米级空间分辨率的同时，获得nm⁻¹量级的动量分辨率，实现对纳米材料声子色散特性的精准测量。
此外理解偶极散射与碰撞散射两种快电子-声子散射机制对实验设计至关重要。其中偶极散射由声子诱导原子偶极矩变化引发的长程库仑相互作用引起，散射强度集中在透射斑附近微小角度内，具有非局域特性，因此可采用非接触式（aloof）模式实现样品无损检测，但其信号强度对样品厚度和形貌极为敏感。而碰撞散射涉及电子与原子核直接作用的短程散射，其特征散射截面在超越第一布里渊区范围内仍有显著强度。其对样品几何参数依赖性弱，可视为材料指纹信号。两类散射的特征角度分布差异显著。通过调节入口光阑相对于透射斑的位置，可针对性采集特定类型的散射信号。
图2. STEM-EELS中的光路、分辨率原理和声子信号选择机制
三、实验研究：亚纳米尺度分辨的STEM-EELS技术
近年来，科研人员发挥出STEM-EELS技术的亚纳米尺度分辨的优势，在缺陷、界面等体系展开了深入广泛的研究。该综述对这些研究进行了归纳和总结。
对于缺陷体系，研究系统归纳了STEM-EELS在探究不同维度缺陷对局域声子的调控规律中的应用：在二维材料中，该技术定量阐明了点缺陷附近的化学键重构以及同位素掺杂导致的原子质量重排对局域振动模式的影响；在三维块体材料中，重点探讨了位错、层错及晶界等缺陷结构对声子态密度的调制，结合STEM-EELS实验与DFT/MD模拟，建立了对称性破缺与长程应力场协同作用下的局域声子演化模型。此外，该技术在原子尺度界面表征方面也具有显著优势。凭借其亚埃级分辨率和高能电子束的穿透性，在原子尺度包埋界面的研究中STEM-EELS技术展现出不可替代性。实验成功捕获了理论预测的四类界面振动模式（扩展、部分扩展、孤立、局域模式）的空间分布特征。该综述还系统讨论了界面原子混排程度、界面极性及界面密度等微观参数对界面声子态密度的显著调制作用。
四、研究特色：动量分辨的STEM-EELS技术以及4D-EELS技术
STEM-EELS技术在小会聚角条件下能够兼顾纳米级空间分辨率与nm-1量级的动量分辨率。传统方法通过机械调节光阑位置或旋转电子束实现动量探测，但其逐点扫描模式导致数据采集效率低下。近年高鹏团队发展了4D-EELS技术，实现了动量探测能力与采集效率的兼顾，并成功应用于纳米管、界面等体系。4D-EELS技术的突破性在于引入条形光阑设计，支持沿预设动量路径的并行信号采集，显著提升了纳米管、纳米片、异质界面等微纳体系的声子色散表征效率。该技术通过动态调控电子束会聚半角，在维持nm级空间分辨率的同时实现布里渊区全域动量解析，为研究限域体系声子行为提供了新方法。
此外，该综述还指出，亚纳米级空间分辨实验中，动量信息也可以通过散射几何关系得以部分保留。当电子束精确对准原子列时，散射主要反映布里渊区边界的声子响应；偏离原子列中心时则捕获布里渊区中心附近的声子特征。在声子色散显著的材料中，布里渊区中心与边界声子能量差异可达数十meV，EELS谱线中呈现的双峰结构可直接解析不同动量声子的贡献。动量选择性进一步源于电子-声子散射的矢量特性：散射截面中的交叉项表明，沿特定晶体学方向离轴可优先激发本征矢与散射矢量共线性的声子模式。通过正交离轴实验构型，可解耦不同振动模式的动量响应。此类分析依赖超高信噪比数据，虽对实验条件要求严苛，但为揭示声子本征矢相关物理机制提供了新途径。
图3. 动量分辨的STEM-EELS技术以及4D-EELS技术
图4. 亚纳米尺度空间分辨的EELS技术中蕴含的动量信息
五、技术应用：利用STEM-EELS研究与声子相关的物理性质
（一）热学性质
在热学性能研究领域，该技术展现出三重核心功能：首先基于细致平衡原理，利用能量损失信号与能量获得信号的强度比值，可在亚纳米空间分辨率下实现微区温度的精准测量；其次通过动量空间各向异性分析，定量表征界面区域非平衡声子布居状态，为揭示界面热输运的非弹性散射机制提供直接实验依据；第三通过解析局域声子态密度分布与空间原子结构的关联，可建立晶格畸变等结构参数与热导率衰减的定量模型。这些方法突破传统热表征技术的空间分辨率限制，为微纳器件热管理优化提供了原子尺度研究手段。
（二）电学性质
在电学物性研究领域，STEM-EELS技术为探索纳米尺度电声耦合机制提供了独特表征手段。针对界面超导等前沿体系，该技术通过同步解析局域声子态密度与电子能带结构，可有效揭示电子配对与声子介导作用的微观关联。现有研究在实验上揭示了界面电声耦合效应的两个线索：其一是声子能量维度，例如FeSe/SrTiO3异质结界面处观测到光学声子模产生~5 meV能量劈裂并伴随频移现象；其二是空间分布维度，如10BN/11BN同位素界面体系中发现布里渊区中心至边界声子模式的空间过渡长度3 nm锐减至1 nm量级。这些实验结果为建立界面超导与局域声子特性的定量关联模型提供了关键判据。
（三）光学性质
在光学物性研究领域，STEM-EELS技术凭借其独特的三维参数优势（亚埃级空间分辨率、宽动量转移能力、太赫兹至近红外宽谱段探测范围），成为表征表面声子极化激元等耦合模式的理想工具。相较于传统光学表征手段，该技术在以下三方面具有突破性优势：空间维度上，可对纳米片、纳米线等低维结构的极化激元模式进行亚纳米级空间分布成像；动量维度上，得益于高能电子的巨大动量转移，该技术能够完整获取布里渊区边界处极化激元色散特征；能量维度上，该技术能够实现从太赫兹到近红外的全频段覆盖，尤其适用于MoO₃、GaN及SrTiO₃等宽谱响应材料的极化激元研究。这种多参数协同探测能力突破了传统扫描近场光学显微镜（SNOM）等技术受限于单一频段的瓶颈，为揭示极化激元模式与纳米结构几何参数的关联规律提供了关键实验手段。
图5. STEM-EELS的空间-动量分辨能力在声子相关物性研究方面的应用
六、展望与结语
该综述梳理了 STEM-EELS 技术在亚纳米尺度声子探测领域的最新进展。阐述了 EELS 探测声子的基本原理（快电子-声子非弹性散射截面理论及能量、空间、动量分辨率调控机制）。实验方法部分归纳了多种采集模式：在空间分辨维度，重点探讨了该技术对亚纳米尺度结构缺陷和异质结界面局域振动态密度的探测能力；在动量分辨维度，分析了实现动量分辨 EELS 的不同工作模式，特别是空间分辨率可达纳米级的声子色散表征方案。作者剖析了空间与动量分辨率的内在联系，指出动量分辨 EELS 可达纳米级空间分辨率，且即使在追求亚纳米/原子级空间分辨的实验中，动量维度仍蕴含重要信息。
此外，研究论证了 STEM-EELS 在探测声子与基本粒子/准粒子纳米尺度相互作用方面的独特优势：（1）解析声子温度和非平衡特性以揭示热输运机制；（2）分析界面等处的声子信号变化以探究局域电声耦合；（3）通过声子极化激元色散关系研究材料光学性质。最后探讨了该技术在敏感分子体系中的应用，强调非接触式采集与精确剂量控制策略的重要性。
展望未来，STEM-EELS 技术的持续发展，结合仪器革新与先进数据分析方法，必将深化对纳米尺度材料物性机理的理解，不断拓展其在凝聚态物理、材料科学及纳米科学的研究边界。
北京大学物理学院量子材料科学中心2022级博士研究生毛瑞麟为该论文第一作者，通讯作者为高鹏。其他作者包括北京大学物理学院量子材料科学中心2023级博士研究生何沛一，北京大学前沿交叉科学研究院2020级博士研究生刘法辰，北京大学物理学院量子材料科学中心博雅博士后时若晨以及北京大学物理学院电子显微镜实验室高级工程师杜进隆。
述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、科学探索奖、量子物质科学协同创新中心、轻元素量子材料交叉平台等支持。