晶格中的缺陷會導致原子密度的調制，這會導致納米級相關靜電的變化。由于傳統相位對比成像固有的復雜對比度轉移，使用透射電子顯微鏡繪制這些空間變化的電荷波動通常具有挑戰性。為了克服這一點，我們使用四維掃描透射電子顯微鏡（4D-STEM）測量單層中點位錯附近的靜電場。石墨烯中（1,0）邊緣位錯核中原子密度的不對稱性導致部分位錯核中的電場局部增強。通過實驗和模擬，電場大小的增加表明是由最近原子鄰居之外的“長程”相互作用引起的。這些結果為使用4D-STEM量化薄材料中的靜電提供了見解，并繪制出了通過庫侖相互作用形成分子和原子鍵的重要橫向電勢變化。
圖1. 實驗數據概述。（a） 實驗示意圖，顯示了與給定探針位置相關的會聚電子探針、HAADF探測器和STEM亮場盤投影到像素化直接電子探測器上。（b） （1，0）位錯核心的HAADF圖像概覽。比例尺為1 nm。（c） （1，0）位錯核的原子模型。（d和g）同一位錯核的實驗和模擬高放大率HA-ADF圖像。視場由面板b中的插圖區域1給出。（e和h）分別用相干4D-STEM數據計算的實驗和模擬相位圖像。面板b中的插入區域3也給出了視場。關于如何從4D-STEM數據計算相位圖像的進一步解釋，可以在支持信息的第2節中找到。（f和i）實驗和模擬幾何相位分析（GPA）εyy應變場，分別在圖b中插圖1表示的視場內計算。GPA的參考晶格區域由圖b中的插圖2表示。圖g和h中給出的模擬表示沒有透鏡像差的理想顯微鏡條件。面板c–i中的比例尺為5Å。
圖2:4D-STEM靜電場結果。（a） 具有（1，0）位錯核的石墨烯片的結構模型用紅色勾勒。插圖區域1定義了面板b–e的視野。插圖區域2定義了面板f和g的視野。位錯芯的七邊形內的圓周紅色箭頭定義了面板h–j中所示的線圖的路徑。紅色虛線表示面板k和l中所示的線輪廓的路徑。（b）未測量和（c）密度泛函理論計算中的涂抹（σ=0.65Å）靜電勢。（d） 帶有箭頭疊加的實驗EPC圖像表示動量轉移到電子探針的方向和大小。（e） |EPC|的畸變4D-STEM多層模擬。支持表2中提供了像差系數和圖像模擬的細節。兩個視場都對應于面板a中的插入區域1。（f）實驗|EPC|圖像，視場顯示在面板a中區域2中，使用獨立原子導出電勢的4D-STEM模擬（i）和不使用圖像模擬的DFT計算（j）。透鏡像差（支持表2）包括在4D-STEM模擬中，并反映在面板e和i中。線圖路徑對應于面板a中用箭頭表示的圓形輪廓。（k和l）實驗和DFT導出的|EPC|圖像的線性線輪廓，分別對應于面板f和g。線條輪廓對應于面板a中的虛線。七邊形環的內部對應于用藍色虛線勾勒的區域。所有比例尺均為5Å。
圖3.實驗電荷密度和與HRTEM的比較。（a） 具有紅色（1，0）位錯核的石墨烯片的結構模型。比例尺為1 nm。（c） 來自面板b的低通濾波圖像，顯示了核電荷密度的過剩（紅色）和不足（藍色）。比例尺為1 nm。（d） 結構模型，顯示5–7位錯核心，與4D-STEM研究中顯示的位錯核心相似。（e） 使用單色源的石墨烯位錯的像差校正相位對比度TEM圖像。該圖像是五個圖像的平均值，以提高信噪比。盡管HRTEM圖像與相位成比例，但很難從數據中估計出準確的相位角，因此校準條沒有單位。（f） 顯示與|E
PC|相似的特征的面板e的梯度；然而，單位無法準確確定，觀察到的信號由對比度傳遞函數調制，混淆了|E
PC|的定量研究。
圖4. 五邊形原子對電場增強的影響。（a）七邊形環和（d）全七邊形位錯核模型的俯視圖和側視圖。三維結構松弛的效果在側視圖中是明顯的。（b和e）分別根據面板a和d中的模型計算的4D-STEM|EPC|模擬。圓周線形和頂點索引分別用紅色箭頭和白色文本表示。比例尺為1Å。（c和f）分別來自圖h和k中所示路徑的線剖面圖，表明局部|EPC|增強主要來自圖3的圖a和c中所示的核電荷密度的增加。
圖5.沿晶界的五邊形-七邊形對的4D-STEM研究。（a和b）4D-STEM|E
PC|和低角度晶界的相位圖像。插入的白色邊界對應于面板c和d的視野。比例尺為10Å。（c） 低角度晶界的結構模型，注釋描繪了線圖路徑a和b。結構模型的原子位置是根據面板b中的相位圖像確定的，如支持圖12所示。（d） |E
PC|的多切片模擬，使用面板c中的模型使用獨立原子模型生成。比例尺為5Å。（e和f）ROI的近距離原子模型，分別顯示線圖路徑a和b。（g和h）|E
PC|的特寫視圖，分別對應于面板e和f中所示的視場。（i和j）圖e–h中所示區域的4D-STEM圖像模擬。（k和l）分別來自路徑a和b的實驗和模擬|E
PC|的線圖的比較。
相關研究成果由德克薩斯大學奧斯汀分校Jamie H. Warner等人2023年發表在Nano Letters (https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00328)上。原文：Mapping Nanoscale Electrostatic Field Fluctuations around Graphene Dislocation Cores Using Four-Dimensional Scanning Transmission Electron Microscopy (4D-STEM)。
轉自《石墨烯研究》公眾號
