研究Al₂O₃，登顶Science！

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-09-17 08:30

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研究背景

α-铝氧化物（α-Al₂O₃），通常称为红宝石或蓝宝石，是一种具有高介电强度、机械硬度、化学和热稳定性以及优良光学性质的宽带隙绝缘体。由于其在催化、微电子学以及自然矿物模型中的重要应用，α-Al₂O₃的表面结构一直备受关注。然而，尽管已有研究表明其表面在高温下会发生重排，形成（×）R±9°的复杂重构，但这一现象仍存在许多挑战，例如表面金属性的真实性和重构的稳定性问题。

研究表明，α-Al₂O₃的表面会在高温条件下失去氧原子，导致表面出现金属特性。然而，这一观点并未得到实验证实。与此同时，传统的成像技术难以揭示宽带隙绝缘体的原子级结构细节。

成果简介

为解决这些问题，奥地利维也纳工业大学Johanna I. Hütner，Andrea Conti，Jan Balajka等人在Science期刊上发表了题为“Stoichiometric reconstruction of the Al2O3(0001) surface”的最新论文。本文采用了非接触式原子力显微镜（nc-AFM）和密度泛函理论（DFT）相结合的方法，对α-Al₂O₃（0001）表面的

重构进行了深入研究。他们的研究结果表明，尽管表面在重构过程中会重新混成并与次表面氧原子形成键，但最终的重构表面仍保持化学计量，且重构的稳定性显著提高。 这一发现不仅解答了关于α-Al₂O₃表面结构的长期疑问，也为类似材料的研究提供了新的视角。

研究亮点

（1）实验首次使用非接触式原子力显微镜（nc-AFM）和密度泛函理论（DFT）结合机器学习力场（MLFFs） ，对α-铝氧化物（α-Al₂O₃）(0001)表面进行了原子级别的成像和分析，揭示了表面复杂的

重构结构。

（2）通过实验观察， 确定了单个氧和铝表面原子的横向位置，并通过计算建模将这些位置与下方的晶体体连接。 实验结果显示，表面重构形成的层接近化学计量，表面保持Al₂O₃的组成。

（3）实验表明，表面铝原子在重构之前呈现不利的三重平面配位，而重构后的表面允许铝与次表面氧原子重混成，导致显著的能量收益。 这一发现挑战了先前关于表面失去氧并具有金属特性的观点，说明了表面重构的稳定性和化学计量性质。

图文解读

图1：Al2O3(0001)的重构晶面。

图2：Al2O3(0001)的表面的结构模型。

图3：稳定Al2O3(0001)终端与实验原子力显向表征AFM匹配。

结论展望

本文揭示了铝氧化物（α-Al₂O₃）表面重构的深层次机制，为理解绝缘体材料的表面结构提供了新的视角。通过非接触式原子力显微镜（nc-AFM）和密度泛函理论（DFT）的结合，研究人员成功成像了复杂的

表面重构，并揭示了表面原子的横向位置与体材料的关系。这一研究突破了传统技术在宽带隙绝缘体成像中的局限性，揭示了铝原子通过重混成与次表面氧原子形成键的机制，从而显著提高了表面的稳定性。此前认为表面失去氧原子并表现出金属特性的观点被颠覆，新的发现表明重构后的表面实际上保持了化学计量，仍然是Al₂O₃。这一研究不仅为绝缘体材料的表面科学提供了重要的实验和理论支持，还为未来材料设计和表面工程的研究奠定了基础，推动了对复杂表面重构过程的更深入理解和应用。

研究Al₂O₃，登顶Science！

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