Janus型Sn-Ge纳米颗粒中液相成分的价电子能量损失谱研究：温度依赖的组分分布与表面等离子体共振调控

本研究通过价电子能量损失谱（VEELS）结合原位透射电镜技术，揭示了Janus结构Sn-Ge纳米颗粒在250–750°C温度区间内液相组分的动态演变规律。研究人员利用体积与表面等离子体能量位移，首次实现了液态Sn-Ge合金成分的低剂量精确映射，证实了Drude模型与Zen定律联用方法的可靠性，为液态纳米材料组分分析提供了新范式，并发现Ge侧可形成温度调控的表面等离子体共振（SPR）薄层，拓展了可调谐等离子体器件的设计思路。

　　

在纳米科技蓬勃发展的今天，液态金属与合金纳米颗粒因其独特的流动性、表面效应和可调控的物理化学性质，在生物医学、柔性电子和催化等领域展现出巨大潜力。然而，当这些纳米颗粒处于熔融状态时，传统基于长程有序结构的表征手段（如X射线衍射）便失去了用武之地。更棘手的是，多组分纳米颗粒在高温下的元素分布动态变化过程，至今仍是纳米表征领域的"黑箱"——这直接制约着功能纳米材料的精准设计。

以典型的Sn-Ge二元体系为例，其简单的共晶相图（共晶点231.9°C、Sn含量99.7 at.%）虽然理论上有利于形成Janus（两面神）结构的固液两相纳米颗粒，但如何原位表征其液相组分随温度的演变？如何解决高温下能量色散X射线谱（EDX）因红外辐射干扰导致的信号衰减？这些问题的突破将对理解纳米尺度固液相互作用机制至关重要。正是基于这些挑战，研究人员在《Ultramicroscopy》发表了这项创新研究。

研究团队采用磁控溅射法制备SnGe合金薄膜，通过原位透射电镜加热形成53 nm的Janus纳米颗粒。关键技术包括：1）配备MEMS加热芯片的球差校正透射电镜（300 kV STEM）实现250-750°C可控温环境；2）低损耗电子能量损失谱（EELS）以7×10⁷
e/nm²
的低剂量采集谱图；3）基于Voigt函数的等离子体峰拟合算法；4）参照纯Sn纳米颗粒的等离子体能量温度系数（-3.3×10^-4
eV/°C）进行热膨胀校正。

结果解析

1. 形貌与组分演化
HAADF-STEM图像清晰显示，250°C时纳米颗粒呈现典型的Janus结构（液相Sn与固相Ge）。随着温度升至750°C，Ge逐渐溶解于Sn中，最终形成均质液态合金。EDX与EELS数据共同证实，液相Ge含量从250°C的痕量增至750°C的约20 at.%，与体材料相图的液相线高度吻合。

2. 等离子体能量位移机制
体积等离子体峰（E_p
）在13-16 eV区间呈现规律性蓝移（图8），通过Drude模型与Zen定律联用（公式6），首次建立液相Sn-Ge合金的电子密度-组分定量关系。值得注意的是，表面等离子体共振（SPR）能量在Ge侧展现出9.25-10.75 eV的宽域可调性（图10），这是传统固态Ge纳米颗粒难以实现的。

3. 核壳结构新发现
EELS面分布分析揭示，Ge侧表面存在1-2.5 nm的SnGe液态壳层（图9）。这种非平衡态结构的形成使Ge核的SPR能量可通过温度精确调控，为半导体等离子体器件的设计提供了新思路。

结论与展望
该研究通过原创性的低剂量VEELS分析方法，破解了液态纳米合金组分表征的难题，证实Drude-Zen联用模型在液相体系的适用性。更引人注目的是，发现Janus结构Ge侧会自发形成温度敏感的"液态等离子体壳层"，这种效应有望用于开发新型光热调控器件。未来研究可拓展至其他二元合金体系，并探索界面效应对等离子体行为的调控机制。

（注：全文数据与结论均源自原文，专业术语如HAADF-STEM（高角环形暗场扫描透射电镜）、MEMS（微机电系统）等均在首次出现时标注说明，温度单位°C、化学元素符号Sn/Ge等均按原文格式保留）