石墨烯上轻原子与分子的成像及动力学

观测物质的单个构建单元是显微镜学的主要目标之一。扫描隧道显微镜 [1] 的发明彻底改变了实验表面科学，使得固态表面上的原子尺度特征最终能够被轻易成像。然而，由于样品导电性、清洁度和数据采集速率等方面的限制，扫描隧道显微镜的适用性有限。一种较旧的显微镜技术，即透射电子显微镜 (TEM) [2, 3]，近年来得益于仪器设备的细微进步而获益良多，现在即使嵌入半导体材料中 [8, 9]，也能通过 TEM 探测到单个重（高原子序数）原子 [4 - 7]。然而，由于轻元素对比度极低 [2, 3, 10 - 12]，通过常规 TEM 探测单个低原子序数原子（例如碳甚至氢）仍然极具挑战性，甚至不可能。在此，我们展示了一种通过常规透射电子显微镜观测甚至最小原子和分子的方法：在清洁的单层石墨烯膜上，吸附物如原子氢和碳看起来仿佛悬浮在自由空间中。我们直接成像了这些单个吸附原子，以及碳链和空位，并实时研究了它们的动力学。这些技术为揭示更复杂化学反应的动力学或识别未知吸附物的原子尺度结构开辟了一条途径。此外，对石墨烯中原子尺度缺陷的研究可能为这种有趣材料的纳米电子应用提供见解。