今日，国际顶级期刊Nature杂志（影响因子42.7）在线发表了题为Single-defect phonons imaged by electron microscopy的研究论文。该研究首次从实验和理论上实现了对单个面缺陷声子谱的探测和分析，通过改变动量空间的位置获得了在布里渊区边界的缺陷声子态密度。

材料的导热性能显著影响器件的散热问题和实际使用寿命。对于非金属材料，声子被认为是热传导的主要载体。一般认为缺陷结构的引入会阻碍声子的传播，造成材料热导率的降低。然而，声子和材料内部缺陷的具体相互作用机制还并不明确。具体来说，缺陷结构如何影响局域声子色散关系E(q)和声子散射的问题还没有解决。受限于测试方法的空间分辨率和理论方法的发展，此前实验上和理论上对单缺陷的导热和声子谱的测量和分析都鲜有报道。

文章通讯作者为美国加州大学尔湾分校（University of California, Irvine）潘晓晴（Xiaoqing Pan）教授和武汝前（Ruqian Wu）教授，理论计算部分由河南大学材料学院青年教师（黄河学者）刘成延（Chengyan Liu）（第二作者）完成，武汝前教授为博士后阶段指导导师，河南大学为共同合作单位。

刘成延博士主要从事材料科学理论计算方面的研究。2007-2011年在郑州大学物理系攻读学士学位，2011-2014年在郑州大学物理系攻读硕士学位，2014-2017年在复旦大学物理系攻读博士学位，2017-2019年在加州大学欧文分校天文物理系攻读博士后。于2020年1月引进河南大学材料学院。先后在Nature、AEM、Nano Lett.、PRB等杂志发表多篇研究论文。

图：实验参数的选择以及实验获得的实空间图像和动量空间的衍射图

该工作利用空间分辨、动量分辨和能量分辨的电子能量损失谱结合理论计算研究材料中单个缺陷的局域缺陷声子谱。该研究发现在碳化硅材料中广泛存在的层错缺陷会形成缺陷声子态，将会造成横波声学支（transverse acoustic phonon, TA）能量降低3.8 meV，同时对比块体本征声子模，其态密度有显著的增强。该结果可以帮助解释引入层错降低碳化硅导热系数的机理。该工作对于理解声子和材料内部缺陷的相互作用关系具有指导作用，以此为范本可以展开一系列关于材料中不同缺陷结构影响声子散射的基础理论研究。该工作中，研究者们选取了3C相（立方相）碳化硅中广泛存在的层错结构作为研究对象。通过旋转样品，电子显微镜可以从侧面观测碳化硅的层错缺陷，从而在空间上区分开层错和周围无缺陷的块体区域。理论上采用密度泛函微扰理论，结合格林函数和电子能量损失谱计算方法，分析了缺陷对体相声子的影响，并解释了受单缺陷影响下横波声学支红移（毫电子伏特量级）的理论机制。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-03049-y