近日，中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系季威教授研究組博士生潘宇浩、胡智鑫博士等，與浙江大學(xué)張澤院士團(tuán)隊(duì)金傳洪教授研究組、約克大學(xué)袁俊教授等合作，運(yùn)用第一性原理計(jì)算模擬結(jié)合掃描透射電子顯微鏡逐幀統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，在原子尺度上預(yù)測(cè)并直接觀察到了鉬原子在單層二硫化鉬表面和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的遷移路徑。相關(guān)研究成果以“Direct Imaging of Kinetic Pathways of Atomic Diffusion in Monolayer Molybdenum Disulfide”為題，于2017年5月26日在線發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)《納米快報(bào)》上。

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圖 (a)理論計(jì)算預(yù)測(cè)鉬增原子在單層二硫化鉬表面的等勢(shì)能面圖。圖 (b)、(c)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)鉬增原子及鉬缺陷的停留位置分布。圖 (d)、(e)理論計(jì)算得到的鉬增原子及鉬缺陷最可能的遷移路徑及遷移勢(shì)能圖。

在材料科學(xué)領(lǐng)域，原子擴(kuò)散是很多重要的材料行為的最基本元過(guò)程。可否預(yù)測(cè)并直接觀察原子在二維材料表面和內(nèi)部的遷移是一個(gè)十分重要卻亟待解決的問(wèn)題。之前的研究表明，在原子尺度上直接觀察和預(yù)測(cè)這一元過(guò)程的具體行為十分不易。在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)第一性原理計(jì)算，預(yù)測(cè)了表面增原子與層內(nèi)Mo空位的最可能遷移路徑，并繪制了增原子和空位的遷移勢(shì)能曲面圖。他們運(yùn)用球差校正掃描透射電子顯微鏡實(shí)現(xiàn)了對(duì)單層二硫化鉬上單個(gè)增原子和單個(gè)空位擴(kuò)散的半實(shí)時(shí)成像，得到了與理論預(yù)測(cè)一致的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)增原子和空位的遷移驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于不同的物理機(jī)制，解釋了二者遷移率速率相差較大的原因。該研究有助于在原子尺度上深化對(duì)相變、催化等材料行為的認(rèn)識(shí)和理解，也初步展示了電子顯微鏡在觀察微觀原子擴(kuò)散等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

物理學(xué)系博士生潘宇浩和浙江大學(xué)洪金華博士是該論文共同第一作者。物理學(xué)系季威教授、浙江大學(xué)金傳洪教授、約克大學(xué)袁俊教授是論文的共同通訊作者。論文的理論計(jì)算工作在人民大學(xué)完成，實(shí)驗(yàn)工作由浙江大學(xué)和約克大學(xué)完成。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、教育部等的大力支持。

《Nano Letters》是美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)在納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的旗艦期刊，主要發(fā)表納米領(lǐng)域有重大突破的高質(zhì)量研究成果，該刊2015年的影響因子為13.779。