2017年 第2期 总第28期
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物理学系及合作者实现对单一原子迁移路径的预测和成像

季威 研究组 供稿 2017-06-19


近日,中国人民大学物理学系季威教授研究组博士生潘宇浩、胡智鑫博士等,与浙江大学张泽院士团队金传洪教授研究组、约克大学袁俊教授等合作,运用第一性原理计算模拟结合扫描透射电子显微镜逐帧统计相结合的方法,在原子尺度上预测并直接观察到了钼原子在单层二硫化钼表面和内部运动的迁移路径。相关研究成果以“Direct Imaging of Kinetic Pathways of Atomic Diffusion in Monolayer Molybdenum Disulfide”为题,于2017年5月26日在线发表在美国化学会《纳米快报》上。

  

  

图 (a)理论计算预测钼增原子在单层二硫化钼表面的等势能面图。图 (b)、(c)实验统计钼增原子及钼缺陷的停留位置分布。图 (d)、(e)理论计算得到的钼增原子及钼缺陷最可能的迁移路径及迁移势能图。

在材料科学领域,原子扩散是很多重要的材料行为的最基本元过程。可否预测并直接观察原子在二维材料表面和内部的迁移是一个十分重要却亟待解决的问题。之前的研究表明,在原子尺度上直接观察和预测这一元过程的具体行为十分不易。在本工作中,研究团队通过第一性原理计算,预测了表面增原子与层内Mo空位的最可能迁移路径,并绘制了增原子和空位的迁移势能曲面图。他们运用球差校正扫描透射电子显微镜实现了对单层二硫化钼上单个增原子和单个空位扩散的半实时成像,得到了与理论预测一致的实验统计结果。同时,他们还发现增原子和空位的迁移驱动力来源于不同的物理机制,解释了二者迁移率速率相差较大的原因。该研究有助于在原子尺度上深化对相变、催化等材料行为的认识和理解,也初步展示了电子显微镜在观察微观原子扩散等领域的应用潜力。

物理学系博士生潘宇浩和浙江大学洪金华博士是该论文共同第一作者。物理学系季威教授、浙江大学金传洪教授、约克大学袁俊教授是论文的共同通讯作者。论文的理论计算工作在人民大学完成,实验工作由浙江大学和约克大学完成。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委员会、教育部等的大力支持。

《Nano Letters》是美国化学学会在纳米科学与技术领域的旗舰期刊,主要发表纳米领域有重大突破的高质量研究成果,该刊2015年的影响因子为13.779。



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