首次实现！单个碳原子三维成像，登上Nature Nanotechnology！
高分子科学前沿 2026-11-04 21:57:35
首次实现单个碳原子三维成像，精度达到惊人的12皮米！在材料科学领域，原子的排列方式往往决定着材料的宏观性能。从石墨烯、碳纳米管到金刚石，碳原子能够通过不同的键合方式形成性质迥异的材料。然而，要真正理解原子尺度的结构变化如何影响材料性能，仅仅观察原子的二维排列还远远不够，准确确定每个原子在三维空间中的位置至关重要。尽管现代电子显微技术已经能够实现亚埃级的横向分辨率，但其深度分辨率通常仍停留在纳米尺度。尤其对于碳等轻元素，由于其电子散射信号较弱，实现单个原子的高精度三维定位一直是电子显微学面临的重要挑战。近日，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）苗建伟教授将电子叠层衍射成像与原子电子断层扫描相结合，利用叠层衍射原子电子断层扫描技术（pAET），首次实现了扭转双层石墨烯中6648个碳原子的三维定位，定位精度达到12皮米（0.12 Å）。研究不仅揭示了不同堆叠区域的层间距变化及三维手性晶格畸变，还通过密度泛函理论计算发现，真实原子结构能够显著影响材料的电子能带，为建立轻元素材料三维原子结构与物理性能之间的联系提供了新途径。相关成果以“Three-dimensional imaging of individual carbon atoms”为题发表在《Nature Nanotechnology》上。要实现单个碳原子的三维成像，首先需要解决如何从有限的电子显微数据中恢复原子空间位置的问题。传统电子显微镜获得的图像主要是原子沿电子束方向的二维投影，不同深度的原子信号容易重叠。为此，研究团队采用电子叠层衍射成像技术，通过扫描聚焦电子束并记录衍射图案，再结合计算算法恢复样品的相位信息，最后利用多个倾斜角度的投影重建三维结构（图1a）。研究人员选择扭转双层石墨烯作为研究对象，在70 keV电子束条件下采集了13个不同倾斜角度的衍射数据。由于倾斜过程中电子探针的离焦状态会发生变化，研究团队在断层重建算法中引入三维轴向探针模型，补偿不同深度的成像差异（图1b）。同时，通过沿深度方向施加一维支撑约束，进一步提高两层石墨烯的分离能力（图1c）。不同约束参数下获得的原子坐标具有良好一致性，三维均方根偏差仅为5皮米（图1d）。最终，重建结果清晰分离了上下两层石墨烯的原子排列（图1e、f），侧视图进一步验证了两层结构的有效区分（图1g）。优化后三个方向的空间分辨率分别达到0.89 Å、0.82 Å和1.42 Å。通过迭代原子追踪与坐标优化，研究团队获得了6648个碳原子的三维坐标，并通过模拟和独立重建分析，将整体三维定位精度确定为12皮米，为后续研究真实晶格畸变奠定了基础。图1：叠层衍射原子电子断层扫描技术实现单个碳原子的三维定位。在获得完整的三维原子模型后，研究人员进一步探索了扭转双层石墨烯内部的结构变化。虽然石墨烯通常被视为二维材料，但两层石墨烯之间的范德华相互作用会使原子发生细微的垂直位移，形成复杂的三维起伏。图2a、b分别展示了上下两层石墨烯的高度分布，可以看到，两层原子并非完全平坦，而是表现出随空间位置变化的波纹结构。更重要的是，这种起伏与局部原子堆叠方式密切相关。由于两层石墨烯存在约1.96°的相对扭转，材料内部形成周期性的莫尔超晶格，不同位置分别对应AA、AB和BA等堆叠构型（图2c）。统计结果表明，碳碳键平均长度为1.44 ± 0.02 Å（图2d），整体平均层间距为3.43 ± 0.03 Å（图2e）。其中，AA堆叠区域的平均层间距为3.45 ± 0.02 Å，而AB/BA区域为3.41 ± 0.03 Å（图2f）。这说明即使只有两层原子，局部堆叠方式仍能够引起可以精确测量的三维结构差异。图2：扭转双层石墨烯中堆叠依赖的三维原子起伏及层间距变化。除了整体晶格起伏，单个缺陷附近的原子结构同样值得关注。研究团队在三维模型中识别出3个硅掺杂原子和1个碳空位，并进一步分析这些缺陷周围的局部结构（图3）。其中，位于上下两层的两个硅掺杂原子仅引起较小的局部畸变（图3a–d），而位于下层的第三个硅掺杂原子则导致周围晶格发生更加明显的垂直变形（图3e、f）。相比之下，下层石墨烯中的碳空位仅表现出较小的局部结构变化（图3g、h）。这一结果表明，即便是相同类型的掺杂原子，处于不同局部环境时，也可能对晶格产生截然不同的影响。更重要的是，pAET不仅能够识别单个缺陷，还能够定量确定其周围碳原子的三维位置，为理解掺杂、空位与局部结构之间的关系提供了直接的实验依据。在此基础上，研究团队将目光转向更复杂的三维晶格畸变。通过将实验测得的原子坐标与理想平坦双层石墨烯模型进行比较，研究人员提取了每个原子的三维位移矢量（图4a、b）。令人关注的是，这些位移并非随机分布，而是在AA堆叠区域周围形成具有明显旋转特征的有序结构，同时伴随着垂直方向的原子位移。进一步分析发现，这些晶格位移在空间中形成了类似磁性拓扑结构的复杂纹理，包括meron样、反meron样以及反skyrmion样结构（图4c–e）。研究人员共识别出2个meron样、3个反meron样和1个反skyrmion样结构纹理。其中，代表性meron样和反meron样结构的斯格明子数分别为−0.42和0.46，而反skyrmion样结构约为0.97。需要强调的是，这些并非直接观测到的磁自旋结构，而是原子三维位移场所呈现的类似拓扑纹理。研究还通过不同平滑参数和独立数据重建验证了这些结构的稳定性，说明它们并非简单的计算伪影。图4：扭转双层石墨烯中的三维位移矢量与手性晶格畸变。那么，这些看似微小的原子位置变化，是否真的会影响材料的电子性质？为了回答这一问题，研究团队进一步将实验获得的三维原子坐标引入密度泛函理论（DFT）计算，并与传统理论弛豫模型进行比较。图5a展示了包含3267个碳原子和1个硅掺杂原子的莫尔超晶胞，图5b、c则表明，实验结构与理想弛豫结构之间存在明显的局部起伏差异。电子能带计算给出了更加重要的结果。如图5d所示，传统弛豫模型在K点表现为无带隙的狄拉克锥结构，而基于实验原子坐标建立的模型则在K点出现了22 meV的能隙。与此同时，实验结构在Γ点附近的能带宽度最多降低13.5%。这说明，真实材料中的局部起伏、堆叠偏移及晶格应变可能显著改变层间电子耦合，进而影响电子结构。值得注意的是，22 meV是基于实验结构的理论计算结果，并非直接测得的整体输运带隙，其大小仍可能受到计算方法等因素影响。图5：实验三维原子结构与理论弛豫结构的电子能带比较。综上所述，该研究通过将电子叠层衍射成像与原子电子断层扫描相结合，实现了单个碳原子的皮米级三维定位，并揭示了扭转双层石墨烯中堆叠依赖的层间起伏、局部缺陷结构以及复杂的手性晶格畸变。更重要的是，研究建立了实验测量的三维原子结构与理论电子性质之间的联系，表明真实材料中微小的原子位移也可能带来重要的电子结构变化。未来，随着成像算法和实验技术的进一步发展，这一方法有望拓展至范德华异质结构、量子发光材料、超导体、催化剂及非晶碳等体系，为从单原子尺度理解材料的结构与功能关系提供新的研究工具。 【版权声明】本文内容来源于高分子科学前沿，版权归原作者及原媒体所有。本站仅作信息分享，不构成任何商业用途；如涉版权问题，请联系本站删除。
发布时间：2026-11-04 11:19:46
(第
1/1页/共10041字/6阅)