材料的導熱性能顯著影響器件的散熱問題和實際使用壽命。對于非金屬材料，聲子被認為是熱傳導的主要載體。一般認為缺陷結構的引入會阻礙聲子的傳播，造成材料熱導率的降低。然而，聲子和材料內部缺陷的具體相互作用機制還并不明確。具體來說，缺陷結構如何影響局域聲子色散關系E(q)和聲子散射的問題還沒有解決。受限于測試方法的空間分辨率，此前實驗上無法直接實現單缺陷的導熱測量和聲子譜測量。這都限制了對聲子-缺陷作用機制的理解和預測。基于此，我們十分需要發展新的具有高空間分辨、高能量分辨、以及高角（動量）分辨能力的聲子探測方法來實現單個缺陷聲子譜的測定。

2014年開始，Nion R&D公司制造的Nion UltraSTEM掃描投射電子顯微鏡（scanning transmission electron microscope, STEM）裝備了新型的能量單色器（monochromator）和電子損失譜儀，并且實現了10 meV以下的能量分辨率。這種突破性的能量分辨能力打開了利用透射電子顯微鏡觀測材料聲子譜的新方向。美國加州大學爾灣分校潘曉晴教授課題組長期致力于研究開發新型電子顯微鏡成像和譜學技術。利用Nion UltraSTEM的高能量分辨電子能量損失譜（electron energy-loss microscopy, EELS），該課題組進一步發展了譜學方法，兼顧空間分辨、動量分辨和能量分辨能力，實現對于單個面缺陷的聲子譜探測，并且通過改變動量空間位置獲得了在布里淵區邊界的缺陷聲子態密度。

今日，美國加州大學爾灣分校材料科學與工程系潘曉晴教授課題組和物理天文系武汝前教授課題組合作在Nature發表了“Single-defect phonons imaged by electron microscopy”一文。該工作利用空間分辨、動量分辨和能量分辨的電子能量損失譜研究材料中單個缺陷的局域缺陷聲子譜。該研究發現在碳化硅材料中廣泛存在的層錯缺陷會形成缺陷聲子態，將會造成橫波聲學支（transverse acoustic phonon, TA）能量降低3.8 meV，同時對比塊體本征聲子模，其態密度有顯著的增強。該結果可以幫助解釋引入層錯降低碳化硅導熱系數的機理。該工作對于理解聲子和材料內部缺陷的相互作用關系具有指導作用，以此為范本可以展開一系列關于材料中不同缺陷結構影響聲子散射的基礎理論研究。

該工作中，研究者們選取了3C相（立方相）碳化硅中廣泛存在的層錯結構作為研究對象。通過旋轉樣品，電子顯微鏡可以從側面觀測碳化硅的層錯缺陷，從而在空間上區分開層錯和周圍無缺陷的塊體區域。圖一c為在高空間分辨率的條件下獲得的原子分辨的層錯原子結構圖。該層錯缺陷寬度僅為0.25 nm。

圖一. 實驗參數的選擇以及實驗獲得的實空間圖像和動量空間的衍射圖。 研究者通過改變電子束的會聚角可以連續可控地改變空間分辨率、動量分辨率和能量分辨率，進而選擇性地獲得高空間分辨圖像和角分辨的電子能量損失譜。在高空間分辨模式下，圖二a對比了缺陷區域和塊體區域的聲子譜。我們可以發現缺陷處的聲子譜在30-50 meV對應的TA模區域有明顯的信號增強。

圖二. 不同實驗條件下利用EELS測得的聲子譜以及相應的理論模擬結果。 這種增強也反映在二維聲子信號強度圖像上（圖三）。受限于空間分辨和動量分辨的相互制約，在高空間分辨條件下，獲得的聲子譜來自整個布里淵區（Brillouin Zone）所有聲子支的貢獻。實驗譜可以近似類比于計算得到的全聲子態密度（total phonon density of states）。但是我們無法從這種實驗譜上獲得角分辨的聲子信息，無法進一步確定缺陷引起的聲子譜改變的根源。

圖三. 空間分辨的聲子信號強度圖。在層錯區域，TA模的信號強度顯著加強。 為了進一步區分不同動量空間下的聲子譜，研究者采用了更小的會聚角以獲得足夠的角分辨率。該工作發現在布里淵區邊界的X點，層錯處的TA模強度顯著增加，而其LA模（longitudinal acoustic phonon）強度顯著降低（圖四）。同時，利用高斯擬合實驗譜線發現，層錯處的TA模最高點向低能移動了3.8 meV。層錯處的聲學支聲子模變化行為都符合第一性原理計算的結果。實驗譜中發現的能量紅移和強度改變都證明了在層錯處存在缺陷聲子態。此外，研究者還發現缺陷聲子態并不僅僅局限在0.25 nm寬的層錯處。實空間分布結果顯示，缺陷聲子態存在于層錯附近6-7 nm寬的區域內。

圖四. 角分辨電子能量損失譜獲得的在布里淵區邊界的聲子譜和缺陷聲子態的空間分布。

缺陷聲子態的實驗驗證對于理解和調控材料導熱性能具有重要意義。首先，缺陷聲子態的能量有別于塊體材料的聲子支，這會一定程度阻斷塊體中聲子的傳導。其次，缺陷聲子態的色散關系更加平整，對應的聲子群速度（group velocity）會顯著降低，這也會減小材料整體的導熱系數。此外，在缺陷處形成了更多的聲子支，這會增加聲子-聲子作用導致的聲子散射概率，從而降低材料的導熱速率。最后，該研究發現缺陷聲子態影響的區域顯著大于缺陷的實際尺寸，這也將有助于修正理論預測的熱導率模型。 碳化硅材料廣泛應用于各類半導體器件中，尤其是功率器件中。因此提高其導熱率將幫助提升器件的整體散熱能力。在該研究的基礎上，我們可以進一步通過調控材料內部的缺陷種類和分布，更有針對性地改進材料的導熱、散熱性能。該研究同時提出了一個具有普適性的研究材料內缺陷-聲子相互作用的方法。透射電子顯微鏡和高能量分辨的電子能量損失譜儀將幫助我們更加全面系統地研究各種缺陷對于材料導熱性能的影響。通過調節實驗參數，研究者可以可控地改變設備的空間分辨率、動量分辨和能量分辨率。在此基礎上，更多的缺陷結構可以通過具有高空間、高動量和高能量分辨能力的電子顯微譜學方法進行研究。 該文章通訊作者為美國加州大學爾灣分校（University of California, Irvine）潘曉晴（Xiaoqing Pan）教授和武汝前（Ruqian Wu）教授，第一作者為博士后閆星旭（Xingxu Yan）。計算部分主要由加州大學爾灣分校物理天文系的武汝前教授和其博士后劉成延博士（現工作于河南大學材料學院）完成。該工作使用了爾灣材料研究所（Irvine Materials Research Institute）的先進電鏡設備。合作單位還包括Nion R&D公司（Ondrej L. Krivanek等人）和Cornell University（Darrell G. Schlom）。

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