德克萨斯大学奥斯汀分校–用四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）绘制石墨烯位错核周围的纳米级静电场波动

晶格中的缺陷会导致原子密度的调制，这会导致纳米级相关静电的变化。由于传统相位对比成像固有的复杂对比度转移，使用透射电子显微镜绘制这些空间变化的电荷波动通常具有挑战性。为了克服这一点，我们使用四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）测量单层中点位错附近的静电场。石墨烯中（1,0）边缘位错核中原子密度的不对称性导致部分位错核中的电场局部增强。通过实验和模拟，电场大小的增加表明是由最近原子邻居之外的“长程”相互作用引起的。这些结果为使用4D-STEM量化薄材料中的静电提供了见解，并绘制出了通过库仑相互作用形成分子和原子键的重要横向电势变化。

图1. 实验数据概述。（a） 实验示意图，显示了与给定探针位置相关的会聚电子探针、HAADF探测器和STEM亮场盘投影到像素化直接电子探测器上。（b） （1，0）位错核心的HAADF图像概览。比例尺为1 nm。（c） （1，0）位错核的原子模型。（d和g）同一位错核的实验和模拟高放大率HA-ADF图像。视场由面板b中的插图区域1给出。（e和h）分别用相干4D-STEM数据计算的实验和模拟相位图像。面板b中的插入区域3也给出了视场。关于如何从4D-STEM数据计算相位图像的进一步解释，可以在支持信息的第2节中找到。（f和i）实验和模拟几何相位分析（GPA）εyy应变场，分别在图b中插图1表示的视场内计算。GPA的参考晶格区域由图b中的插图2表示。图g和h中给出的模拟表示没有透镜像差的理想显微镜条件。面板c–i中的比例尺为5Å。

图2:4D-STEM静电场结果。（a） 具有（1，0）位错核的石墨烯片的结构模型用红色勾勒。插图区域1定义了面板b–e的视野。插图区域2定义了面板f和g的视野。位错芯的七边形内的圆周红色箭头定义了面板h–j中所示的线图的路径。红色虚线表示面板k和l中所示的线轮廓的路径。（b）未测量和（c）密度泛函理论计算中的涂抹（σ=0.65Å）静电势。（d） 带有箭头叠加的实验EPC图像表示动量转移到电子探针的方向和大小。（e） |EPC|的畸变4D-STEM多层模拟。支持表2中提供了像差系数和图像模拟的细节。两个视场都对应于面板a中的插入区域1。（f）实验|EPC|图像，视场显示在面板a中区域2中，使用独立原子导出电势的4D-STEM模拟（i）和不使用图像模拟的DFT计算（j）。透镜像差（支持表2）包括在4D-STEM模拟中，并反映在面板e和i中。线图路径对应于面板a中用箭头表示的圆形轮廓。（k和l）实验和DFT导出的|EPC|图像的线性线轮廓，分别对应于面板f和g。线条轮廓对应于面板a中的虚线。七边形环的内部对应于用蓝色虚线勾勒的区域。所有比例尺均为5Å。

图3.实验电荷密度和与HRTEM的比较。（a） 具有红色（1，0）位错核的石墨烯片的结构模型。比例尺为1 nm。（c） 来自面板b的低通滤波图像，显示了核电荷密度的过剩（红色）和不足（蓝色）。比例尺为1 nm。（d） 结构模型，显示5–7位错核心，与4D-STEM研究中显示的位错核心相似。（e） 使用单色源的石墨烯位错的像差校正相位对比度TEM图像。该图像是五个图像的平均值，以提高信噪比。尽管HRTEM图像与相位成比例，但很难从数据中估计出准确的相位角，因此校准条没有单位。（f） 显示与|E_PC|相似的特征的面板e的梯度；然而，单位无法准确确定，观察到的信号由对比度传递函数调制，混淆了|E_PC|的定量研究。

图4. 五边形原子对电场增强的影响。（a）七边形环和（d）全七边形位错核模型的俯视图和侧视图。三维结构松弛的效果在侧视图中是明显的。（b和e）分别根据面板a和d中的模型计算的4D-STEM|EPC|模拟。圆周线形和顶点索引分别用红色箭头和白色文本表示。比例尺为1Å。（c和f）分别来自图h和k中所示路径的线剖面图，表明局部|EPC|增强主要来自图3的图a和c中所示的核电荷密度的增加。

图5.沿晶界的五边形-七边形对的4D-STEM研究。（a和b）4D-STEM|E_PC|和低角度晶界的相位图像。插入的白色边界对应于面板c和d的视野。比例尺为10Å。（c） 低角度晶界的结构模型，注释描绘了线图路径a和b。结构模型的原子位置是根据面板b中的相位图像确定的，如支持图12所示。（d） |E_PC|的多切片模拟，使用面板c中的模型使用独立原子模型生成。比例尺为5Å。（e和f）ROI的近距离原子模型，分别显示线图路径a和b。（g和h）|E_PC|的特写视图，分别对应于面板e和f中所示的视场。（i和j）图e–h中所示区域的4D-STEM图像模拟。（k和l）分别来自路径a和b的实验和模拟|E_PC|的线图的比较。

相关研究成果由德克萨斯大学奥斯汀分校Jamie H. Warner等人2023年发表在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)。