Three-dimensional imaging of individual carbon atoms

范德瓦尔斯力 材料科学 碳纤维 石墨烯 化学物理 格子(音乐) 双层石墨烯 电子 纳米技术 分子物理学 量子 量子点 电子结构 原子物理学 凝聚态物理 电子密度 双层 分子动力学
作者
Na Yeon Kim,Hanfeng Zhong,Jianhua Zhang,Colum M. O’Leary,Yuxuan Liao,Ji Zou,Haozhi Sha,Minh Phạm,Weiyi Li,Yakun Yuan,Ji Hoon Park,Dennis S. Kim,Huaidong Jiang,Jing Kong,Miaofang Chi,Jianwei Miao
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
标识
DOI:10.48550/arxiv.2504.08228
摘要

Carbon is fundamental to science and technology due to its diverse bonding configurations, structural versatility, and essential role in defining the mechanical, chemical, electronic, and quantum properties of materials. However, direct three-dimensional (3D) imaging of individual carbon atoms remains a long-standing challenge. Here, we use twisted bilayer graphene (TBG) as a model system and demonstrate ptychographic atomic electron tomography (pAET) for determining the 3D atomic coordinates of individual carbon atoms with a precision of 0.11 angstrom. The resulting 3D atomic model uncovers chiral lattice distortions driven by van der Waals interactions that exhibit meron-like and skyrmion-like structural textures. These findings provide direct insight into the interplay between 3D chiral lattice deformation and electronic properties in moire-engineered carbon systems. Beyond TBG, pAET offers a versatile approach for 3D atomic-scale imaging of carbon-based and other light-element materials that are central to advances in physics, chemistry, materials science, and nanotechnology.

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