近期，由 Benedikt Haas、Tara M. Boland、Christian Elsässer、Arunima K. Singh、Katia March、Juri Barthel、Christoph T. Koch 和 Peter Rez 组成的研究团队，在《Nano Letters》期刊（2023年，第23卷，5975-5980页）上发表了一项关于硅中晶界局域声子模式的原子级分辨率映射研究。此项工作涉及来自德国柏林洪堡大学、美国亚利桑那州立大学、德国弗莱堡弗劳恩霍夫材料力学研究所、法国索邦大学矿物物理与宇宙化学研究所以及德国于利希研究中心等多所研究机构的科学家，是一项跨学科的国际合作成果。
这项研究属于凝聚态物理、材料科学和电子显微学的交叉领域。其学术背景植根于对纳米器件热管理和新兴声子学技术的迫切需求。在纳米尺度器件中，热量的产生与耗散是决定其性能、可靠性和寿命的关键因素，而热传导主要由声子（晶格振动的量子）的传输和散射过程控制。晶界作为多晶材料中晶粒间的界面，是声子的重要散射中心，能够显著降低材料的整体热导率。然而，近年来理论预测晶界不仅散射声子，还可能作为特定声子模式的波导，引导这些模式沿界面传播，损耗更小，这为构建基于声子的新型信息处理和传感器件（即声子学）提供了潜在可能。验证这一假说的核心挑战在于，需要同时在原子尺度（亚纳米空间分辨率）和毫电子伏能量分辨率下，直接探测晶界处的局域声子态。传统的光学方法（如拉曼光谱）缺乏足够的空间分辨率来研究单个晶界，而计算模拟则亟需实验验证。因此，本研究的主要目标是：利用先进的电子显微学技术，首次在原子分辨率下直接测绘硅材料中不同类型晶界处的局域声子态密度，并通过与理论计算对比，证实局域声子模式的存在及其与晶界原子结构的关联，从而评估晶界作为声子波导的物理基础。
本研究的工作流程系统而严谨，主要包含样品制备、实验数据采集、理论模型构建与模拟、以及数据对比分析四个主要环节。
首先，研究团队采用聚焦离子束技术制备了沿[1̅10]晶向的硅样品。该样品包含三种不同类型的晶界，作为主要的研究对象：对称的Σ3 (111)晶界、对称的Σ9 (221)晶界以及非对称的(111)|(115)晶界。这些晶界代表了从高度共格（Σ3）到包含结构缺陷（如五元环和七元环）的非共格界面，为研究原子结构变化对声子模式的影响提供了理想的模型体系。样品中存在的碳污染区域在实验中被刻意避开，以确保数据的纯净性。
其次，实验数据采集是通过配备单色器和新型电子能量损失谱仪（EELS）的扫描透射电子显微镜（STEM）完成的。这是本研究的核心技术手段，其新颖之处在于将单色化EELS的空间分辨率推向了原子级别。具体实验在一台Nion HERMES STEM上进行，配备Iris谱仪和Dectris ELA直接电子探测器。实验采用60 keV的入射电子束，探针会聚半角为30 mrad，谱仪收集半角为42 mrad。这种在轴收集信号的配置（区别于通常用于偶极散射的离轴配置）对于硅这类由相同原子组成的材料至关重要，因为它能避免信号的空间离域效应，从而获得原子级局域的声子信号。研究人员对三种晶界及其相邻的体硅区域进行了原子分辨率的高角环形暗场像（HAADF-STEM）成像和同步的EELS面扫描（谱图）。谱图经过处理（扣除零损失峰背景）后，提取出硅的两个特征声子峰：约40 meV的声学支模式和约60 meV的光学支模式。研究的焦点是60 meV光学模式峰在晶界处的强度变化。
第三，为了与实验结果对比并深入理解其物理起源，研究团队进行了系统的理论计算。这部分工作涉及原子结构模型的建立和声子态密度的模拟。对于Σ3 (111)晶界，其原子模型直接根据实验获取的高分辨率HAADF图像构建。对于Σ9 (221)和(111)|(115)晶界，则使用了文献中已报道并经HAADF图像验证的模型。声子态密度的计算并未采用计算量巨大的第一性原理动力学矩阵对角化方法，而是采用了基于经验势（Tersoff势）的分子动力学模拟，通过计算速度-速度关联函数的傅里叶变换来获得。这种方法被证明能有效模拟大超胞体系（如包含晶界的模型）的声子行为，尽管计算峰位可能略有偏移。此外，为了展示局域模式，还对Σ9 (221)晶界进行了第一性原理计算，以可视化特定振动模式的空间分布。
第四，数据分析与对比是得出结论的关键环节。研究人员将实验测绘得到的60 meV峰强度分布图（即声子态密度图）与HAADF原子结构图进行直接关联。同时，将从晶界区域和体硅区域提取的实验EELS谱，与基于对应原子模型通过分子动力学模拟计算出的理论谱进行定量比较。比较的参数包括60 meV峰在晶界处相对于体硅的强度比（GB/Bulk ratio）以及峰位的能量偏移（shift）。所有数据处理中的不确定度通过在不同体硅区域进行多次测量并计算标准偏差来确定。
研究的主要结果清晰而富有洞察力，系统地回答了研究之初提出的问题。
在原子结构表征方面，HAADF图像清晰揭示了三种晶界的差异：Σ3 (111)晶界是完美的共格孪晶界，原子排列几乎无畸变；而Σ9 (221)晶界和非对称(111)|(115)晶界则出现了周期性的结构缺陷，即五边形和七边形的原子环对，其中键角相对于完美晶体发生了显著变化，但键长变化很小。
在声子态分布的实验测绘结果中，60 meV光学模式峰的强度分布图显示：在Σ3 (111)晶界处，峰强度与体硅几乎相同（强度比为0.99 ± 0.03），没有明显变化。这与该晶界近乎完美的晶体结构预期相符。然而，在Σ9 (221)晶界处，峰强度在晶界位置出现了明显下降（强度比为0.89 ± 0.02），并且这种下降与晶界处五-七元环的周期性结构高度相关。在非对称(111)|(115)晶界处，强度下降更为显著（强度比为0.79 ± 0.01），且沿着晶界方向，强度的变化与局部原子结构的起伏精确对应。为了排除实验几何因素（如探针是否精确位于原子柱上方）的影响，研究人员还检查了40 meV声学模式的强度变化，发现其变化规律与60 meV峰不同，从而确认观察到的信号变化确实源于声子态密度本身的改变，而非测量假象。
理论计算的结果为实验观察提供了强有力的支持和物理解释。基于分子动力学模拟计算出的60 meV峰强度下降比率与实验值高度吻合（Σ9晶界：计算值0.86 vs. 实验值0.89；(111)|(115)晶界：计算值0.78 vs. 实验值0.79）。这种定量上“极好的一致性”极大地增强了实验发现的可信度。对于峰位的能量偏移，理论与实验也大致相符，其中微小的差异被认为可能与所用经验势的局限性有关。通过第一性原理计算对Σ9 (221)晶界进行的深入分析揭示了一个关键现象：在计算出的声子态密度中，存在一些完全局域在晶界原子上的振动模式。可视化分析表明，在这些模式中，只有构成晶界的原子发生强烈振动，而远离晶界的体原子几乎静止。这种模式的振动幅度在垂直于晶界的方向上急剧衰减，其空间分布剖面图清晰显示振动仅局限于晶界原子所在位置。这直接证明了“局域声子模式”的存在。
结果的逻辑链条非常清晰：实验上观测到晶界处特定声子模式（60 meV光学模）强度的显著变化（下降），这一变化与晶界处特定的原子结构畸变（五-七元环导致的键角变化）在空间上精确关联。理论计算不仅定量复现了这种强度变化，更进一步揭示出这种变化源于晶界原子键角扭曲导致的振动振幅减小，并且预言了完全由晶界原子承载的局域振动模式。实验与理论的相互印证，构成了一个完整的证据闭环。
本研究的结论具有重要的科学意义和应用价值。主要结论如下：1. 证实了局域声子模式的存在：研究首次在原子分辨率下，通过实验直接观测并结合理论计算，证实了硅晶界处存在局域声子模式。2. 阐明了结构 - 声子性质的关联：晶界处声子态密度的改变主要归因于原子键角的显著变化（而非键长变化），特别是五元和七元环结构引入的键角畸变，削弱了与60 meV光学模相关的原子位移振幅。3. 论证了晶界作为声子波导的潜力：由于局域声子模式被限制在晶界原子附近传播，其向体材料中的能量泄漏较少，因此晶界可以充当这些特定模式的波导，引导声子沿界面进行低损耗传输。这为在半导体材料（如硅）中利用天然存在的或工程设计的晶界来构建声子器件（如波导、谐振腔）提供了直接的实验依据和理论基础。
研究的亮点突出体现在以下几个方面：方法学上的重大突破：成功将单色化电子能量损失谱（EELS）的空间分辨率提升至原子级别，并应用于探测体相材料内部埋藏缺陷（晶界）的局域振动信息，这是声子测量技术的一项里程碑。跨尺度的关联研究：实现了从原子尺度结构（HAADF图像）到纳米尺度声子态分布（EELS谱图），再到微观理论计算（分子动力学/第一性原理）的无缝衔接与定量对比，展示了多尺度研究范式的强大力量。研究对象的典型性与系统性：选择了从完美共格到含有特征缺陷的系列硅晶界作为模型体系，使得研究结论具有普适性和清晰的物理图像。对新兴领域的推动作用：研究成果直接支撑了“声子学”这一新兴领域的发展，证明了利用材料固有缺陷（晶界）实现声子操控的可行性，为未来设计新型热管理材料和量子信息器件开辟了新思路。
此外，研究还附带了一些有价值的发现。例如，在Σ9晶界附近，40 meV声学模式的强度在某些原子位置有所增强，这提示不同类型的声子模式对界面结构的响应可能不同，值得进一步探究。同时，研究确认在所有这些四配位的硅晶界中，未在谱图中观察到界面态导致的额外峰，这与理论预测一致。最后，作者提出了一个自洽的研究方案：通过高分辨率实验与模拟相结合，来原子尺度上确定和验证局域声子态密度。他们认为这一方案将成为未来声子学器件研发的强大工具。这项研究在纳米尺度声子物理的实验探测、理论理解以及潜在应用方面均做出了重要贡献。