自然子刊:科学家发现固态物质新结构

中国新闻网·辽宁 2018年12月11日 14:19

  中新网辽宁新闻12月11日电 (沈殿成)中国科学院金属研究所陈春林研究员与日本东京大学Yuichi Ikuhara教授、重庆大学尹德强副教授等人合作,在陶瓷材料中发现了区别于晶体、准晶体和非晶体的固态物质新结构——一维有序结构(或称为一维有序晶体)。

图1 一维有序晶体的原子结构示意图。MgO一维有序晶体可由MgO晶界

结构单元组合而成。

  固态物质按其微观结构的对称性可分为三大类:晶体、准晶体和非晶体。晶体具有旋转对称性和平移对称性,其原子有规则地在三维空间呈周期性重复排列,比日常生活中常见的雪花、钻石、水晶等。非晶体不具有旋转对称性和平移对称性,其原子排列不具有长程有序,比如玻璃,石蜡等。准晶体具有旋转对称性,但不具有平移对称性。准晶体的原子排列具有长程有序,但不具有三维平移周期性。准晶体结构的物质在日常生活中不常见,科学家最早在合金的相中发现了准晶。以上是发现准晶体以后,人们对固态物质结构的普遍认识。

 图2 形成于三叉晶界区域的MgO一维有序晶体的ABF STEM像(见区域I和II)。MgO一维有序晶体由许多六边形结构单元构成(彩色阴影所示),其原子排列与MgO Σ5 (210)[001]晶界结构单元类似。

  陈春林研究员等人利用扫描透射电子显微术与第一性原理理论计算相结合的方法,在氧化镁(MgO)和三氧化二钕(Nd2O3)薄膜材料中发现了一维有序晶体,更新了人们对固态物质结构的认识。该结构仅在一个方向上保留了晶体的平移对称性和周期性,在其他方向上其原子呈现无序排列,形成了具有一维平移周期性的长程有序结构。构成一维有序晶体的结构单元的原子排列与重位点阵倾转晶界的结构单元非常类似。研究表明,尽管氧化镁晶体是能隙为7.4 电子伏特的绝缘体,氧化镁一维有序晶体则是能隙为3.2电子伏特的宽带半导体。一维有序晶体的发现表明固态物质结构的种类比人们的已有认知更加丰富,并且新结构的物理性质与相应常见结构类型具有显著差异。

图3 DFT理论计算与STEM-EELS分析确定MgO一维有序晶体的原子与电子结构。MgO晶体是能隙为7.4 eV的绝缘体,MgO一维有序晶体则是能隙为3.2 eV的宽带半导体。

  该项研究得到了中国科学院前沿科学重点研究项目、国家自然科学基金与国家青年千人计划等项目的资助。相关成果于12月10日在Nature Materials上在线发表(https://doi.org/10.1038/s41563-018-0240-0)。

  该工作的全文链接(PDF文件)

  https://doi.org/10.1038/s41563-018-0240-0

图4 Nd2O3薄膜材料中的一维有序晶体。Nd2O3一维有序晶体由许多六边形结构单元构成(彩色阴影所示),其原子排列与Nd2O3 Σ9 (221) [10]晶界结构单元类似。