本研究由北京大学多个院系及研究中心的团队共同完成，主要作者包括 Li Ning, Shi Ruochen, Li Yifei, Qi Ruishi, Liu Fachen, Zhang Xiaowen, Liu Zhetong, Li Yuehui, Guo Xiangdong, Liu Kaihui, Jiang Ying, Li Xin-zheng, Chen Ji, Liu Lei, Wang En-ge 和 Gao Peng。研究成果以“Phonon transition across an isotopic interface”为题，于2023年发表在学术期刊 Nature Communications 上。
这项研究属于凝聚态物理、材料科学和电子显微学交叉领域，聚焦于同位素界面这一新兴但尚未被充分探索的科学问题。在自然界中，许多材料都是由不同同位素的混合物组成的，同位素的差异（主要是原子质量）会显著影响材料的物理性质，例如热导率。传统观点认为，自然材料中同位素的质量无序性会干扰声子（Phonon）传输，从而降低热导率。然而，在材料内部，同位素并非均匀混合，而是可能形成类似“超晶格”的同位素界面。关于这种界面的原子尺度结构、声子行为及其对物理性质的影响，人们知之甚少，主要瓶颈在于缺乏在原子尺度上识别同位素并测量其物理性质的手段。本研究旨在直接观测和解析同位素界面处的声子行为，以揭示同位素界面的独特物理特性，为理解自然界材料的同位素效应提供新视角，并为通过同位素工程调控材料性能提供新思路。
研究流程包含多个精密步骤，主要包括样品制备、原子尺度表征与理论计算。首先，研究团队利用Fe熔剂法生长出高质量、同位素纯化的h-^10BN和h-^11BN单晶（h-代表六方结构）。接着，采用机械剥离和范德华（van der Waals）转移技术，精确组装出原子级尖锐的h-^10BN/h-^11BN异质结构界面。然后，利用聚焦离子束（Focused Ion Beam, FIB）技术制备出用于扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscope, STEM）观察的截面样品。这是研究成功的关键基础，确保了界面结构的原子级清晰度。
研究的核心是利用高空间和能量分辨率的电子能量损失谱（Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS）进行表征。实验在配备单色器的Nion U-HERMES200电子显微镜上进行，操作电压为60 kV，以尽量减少对样品损伤。他们采用了高会聚角和收集角（α=35 mrad， β=25 mrad），实现了优于0.1纳米的空间分辨率，能量分辨率约为8 meV。通过在STEM模式下逐点采集EELS谱，他们获得了跨越同位素界面的原子分辨振动谱图。这是一种非常前沿的实验方法，它将振动光谱的空间分辨率推向了亚单胞尺度，使得直接“看见”同位素并测量其原子层间的声子能量差异成为可能。
在数据分析方面，研究团队采用了定制的MATLAB代码和Gatan软件套件进行精细处理。流程包括：对谱图进行对齐和零损失峰（Zero-Loss Peak, ZLP）强度归一化；使用块匹配和3D滤波（Block-matching and 3D filtering, BM3D）算法去除高斯噪声；利用修正的Pearson-VII函数拟合并扣除源于ZLP拖尾和非特征性声子损失的复杂背景，从而提取纯粹的振动信号；最后，使用Lucy-Richardson反卷积算法，以弹性ZLP作为点扩散函数，校正有限能量分辨率带来的展宽效应，进一步提高能量测量的精度。此外，为了从复杂的信号中提取出不同的声子模式（如声子极化激元，Phonon Polaritons），他们还使用了多峰高斯拟合方法。
理论计算方面，研究团队基于密度泛函微扰理论（Density Functional Perturbation Theory, DFPT）计算了h-^10BN和h-^11BN的声子色散关系和声子态密度，预测了同位素替代引起的声子能量移动（约4-6 meV），这为实验观测提供了理论基准。同时，他们还进行了第一性原理计算，以分析界面处的电荷效应和电子-声子耦合。
研究取得了一系列重要结果。首先，他们成功地在原子尺度上识别了h-^10BN/h-^11BN界面。EELS振动谱图清晰显示，h-^10BN区域的面内和面外光学声子模式能量均比h-^11BN区域高约3-6 meV，与理论预测吻合，验证了实验方法的可靠性。通过能量过滤成像，可以直观地区分出两个同位素区域，证明了EELS进行同位素成像的能力。
其次，也是最关键的发现是，他们直接观测到同位素界面处声子能量变化的过渡行为并非原子级尖锐，而是存在一个宽达数纳米的过渡区域。通过对面外光学声子（ZO mode）的原子分辨EELS谱进行分析，他们发现不同动量的声子其过渡宽度不同：位于布里渊区（Brillouin Zone）中心附近的小动量转移声子（ZO{low q}），其过渡区宽度约为3.34纳米；而位于布里渊区边界附近的大动量转移声子（ZO{high q}），其过渡区宽度约为1.66纳米。这远远超过了单个原子层的厚度（约0.33纳米）。相比之下，常规h-BN/石墨烯异质结构界面的声子过渡宽度仅为约两个原子层，说明同位素界面处的声子离域化（Delocalization）效应非常特殊。这一结果超出了基于谐波近似和玻恩-奥本海默近似的基态密度泛函理论计算预期，表明界面处存在超越简单质量变化的复杂物理机制。
为了解释这一动量依赖的离域化行为，研究团队提出了同位素诱导的界面电荷效应。他们计算了有限温度下由声子诱导的微分电荷密度。在极性材料h-BN中，带正电的B原子和带负电的N原子在振动时位移幅度不同，方向相反，会产生额外的振动偶极矩（Vibration Dipole）。在同位素界面处，由于原子质量突变导致振动振幅不连续，进而引起振动偶极矩梯度和界面束缚电荷的积累。计算表明，布里渊区中心的ZO声子诱导的界面电荷密度高于边界处的ZO声子，这意味着前者在界面处具有更强的电子-声子耦合。这种更强的耦合被认为是导致ZO_{low q}声子过渡区更宽、离域化更显著的原因。这一发现揭示了同位素通过影响晶格振动振幅，进而调制电子结构（界面电荷分布）的新机制。
第三，他们进一步分析了界面附近原子层间的声子能量变化。研究发现，即使在同一同位素区域内，声子能量也会随着电子束探测位置在原子柱上方（“on-column”）和原子柱之间（“off-column”）变化而发生微小改变。对于ZO{low q}声子，这种能量变化约为0.68 meV，这可以归因于有效散射角度的变化。然而，对于ZO{high q}声子，由于其位于平坦的声子色散区域，动量传递的变化对能量影响很小，因此其层间能量变化不显著。这一对比凸显了声子动量在微观探测中的重要性。此外，在跨越界面时，声子能量呈现先上升后下降的复杂变化趋势。研究认为，这是由界面两侧原子散射截面（影响“on/off-column”信号）和原子质量变化两种效应共同主导的结果：在靠近界面但仍处于h-^10BN一侧时，散射效应主导使能量升高；接近并进入h-^11BN区域后，质量变化效应主导使能量降低。
基于以上结果，本研究得出结论：同位素界面处的晶格振动存在显著的离域化现象，且其行为依赖于声子的动量。这是由于同位素质量差异导致振动振幅不连续，进而引发界面电荷积累和电子-声子耦合，这种耦合强度随声子动量变化，最终表现为不同动量声子具有不同的过渡宽度。这一发现挑战了传统上仅从质量无序角度理解同位素效应的简化模型，揭示了同位素界面本身作为一个新的自由度，对晶格振动和潜在的热输运性质具有重要影响。
本研究的科学价值和应用前景十分显著。在科学层面，它首次在原子尺度上直接可视化和定量分析了同位素界面的声子行为，发现了动量依赖的声子离域化和界面电荷效应，为理解材料中复杂的同位素效应（超越简单的质量无序散射）提供了全新的物理图像和实验证据。它证明了同位素不仅可以影响原子核相关性质，还能通过振动偶极矩影响电子结构，开辟了“同位素工程”调控材料物性的新维度。在应用层面，这项研究为理解和设计热管理材料提供了新思路。例如，声子离域化可能类似于常规异质结构中的局域界面声子模式，起到“声子桥”的作用促进热传输；反之，在热电材料中，消除同位素界面可能有助于抑制热传导。动量依赖的离域化行为意味着可以通过设计界面和选择特定声子模式来精细调控热输运。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：第一，研究对象新颖，首次系统探究了原子级尖锐的同位素界面这一基础但未被深入探索的物理体系。第二，方法极具创新性，成功地将振动STEM-EELS的空间分辨率推至亚单胞尺度，并实现了动量分辨的测量，这是将原子尺度成像、元素分析、振动谱学和动量空间信息相结合的突破性技术展示。第三，发现重要，不仅观测到声子跨越同位素界面的宽过渡区，更重要的是揭示了这种过渡的动量依赖性及其背后的电子-声子耦合机制，将同位素效应与电荷分布联系起来。第四，理论与实验紧密结合，通过DFPT计算预测能量移动，通过微分电荷密度计算解释离域化机理，形成了完整的证据链。第五，工作系统深入，从样品制备、原子尺度表征、到详细的谱学分析和理论阐释，构成了一个从现象观测到机理解释的完整研究范例。
其他有价值的方面还包括：研究团队开发并公开了用于EELS数据处理的MATLAB代码，促进了相关领域的方法学发展；他们对h-BN/石墨烯常规界面的对比实验，有力地支持了同位素界面独特性的结论；对样品扭转角影响的评估，确保了实验结果的可靠性。这项研究在纳米尺度和动量空间维度上深化了对同位素物理的理解，为未来通过精确操控同位素分布来设计具有特定声子和热学性质的新型功能材料奠定了重要的科学基础。