通过给单个原子“挠痒痒”来研究材料的行为

进行纳米技术前沿工作的科学家和工程师都会面临一个挑战，就是当材料中单个原子的位置可能改变该材料的基本特性时，科学家需要一些测量工具以测量该原子的行为。

由利兹大学领导的研究小组与法国巴黎索邦大学的同事合作研究表明，可以开发与音叉概念相似的诊断技术。

当给音叉施加能量时，比如敲击一下音叉，它就会产生固定的音调，但是，如果以某种方式改变了音叉，其音调就会改变。

研究团队开发的技术就是在固体中的单个原子上发射一束电子，能量使它及其周围的原子振动。这样就产生了一个独特的振动能量指纹，类似于音叉的固定音调，可以通过电子显微镜记录下来。但是，如果存在单个原子杂质，则另一化学元素（例如，该杂质的振动能指纹）将发生变化：材料在此精确位置处将“听起来”不同。

这项研究为科学家能够监测材料中的原子杂质开辟了可能性。

研究结果《Single Atom Vibrational Spectroscopy in the Scanning Electron Microscope》近日发表在《Science》杂志上。

利兹大学高级电子显微镜教授昆汀·拉马斯（Quentin Ramasse）表示：“我们现在有直接的证据表明，固体中的单个“外来”原子可以在原子尺度上改变其振动特性。

从电子显微镜拍摄的图像显示了石墨烯晶体中硅的单个原子。它色彩鲜艳，位于图像的左侧。

“这已经被预测了数十年，但是还没有任何实验技术可以直接观察这些振动变化。我们已经能够首次证明您可以原子精度记录该缺陷特征。”

研究人员使用了由英国工程和物理研究委员会（EPSRC）支持的英国高级电子显微镜国家研究机构SuperSTEM实验室。

该设施设有世界上一些最先进的设施，用于研究物质的原子结构，并在利兹大学（还包括参与该活动的约克牛津大学）领导的一个学术联盟的主持下运作项目。

科学家在一个大石墨烯晶体中找到了一个硅杂质原子，然后将电子显微镜的光束直接聚焦在那个原子上。

拉马斯教授说：“我们用电子束击中它，这使硅原子到处移动或振动，在此过程中吸收了入射电子束的一些能量，并且我们正在测量正在被吸收的能量。”

该动画示意性地说明了硅如何振动，以及该振动如何开始影响相邻的原子，并且受到索邦大学的Guillaume Radtke博士团队的广泛理论计算的启发，该团队参与了该项目。

Radtke博士补充说：“我们观察到的振动响应是该特定硅原子如何位于石墨烯晶格中的独特方法。我们可以预测它的存在会如何扰乱周围的碳原子网络，但是这些实验代表了一项真正的技术成就，因为我们现在能够以原子精度测量这种细微的变化。”