研究Al₂O₃，发一篇Science！

纳米人 · 公众号 · 科技创业科技自媒体 · 2024-09-15 08:43

正文

编辑总结

非接触式原子力显微镜和密度泛函理论用于确定铝氧化物（0001）表面大规模重排的起源。之前的研究表明，该表面会失去氧原子，并具有金属特性，但本文展示了复杂的重构实际上接近化学计量（见Giessibl和Weymouth的前瞻）。成像技术确定了横向原子位置，而理论表明，铝的重混成允许与次表面氧原子形成键，从而极大地稳定了重构。— Phil Szuromi

研究背景

随着材料科学和表面物理学的不断进展，解析绝缘体表面的原子级结构成为了一个重要而挑战性的任务。尤其是对于宽带隙绝缘体，由于其电导性差，传统的基于带电粒子的实验技术（如电子显微镜）难以适用，这引起了科学界对其表面结构的浓厚关注。以铝氧化物（α-Al₂O₃）为例，这种材料不仅在电子学和催化领域有着广泛应用，而且其在自然矿物和气候研究中的重要性也日益突出。然而，尽管α-Al₂O₃拥有高介电强度、优良的机械硬度以及极好的光学性质，它的表面结构在高温条件下会发生复杂的重排，这给准确表征带来了难度。

研究表明，α-Al₂O₃的（0001）表面会形成一种复杂的重构。早期的研究表明，这种重构可能是由于表面氧原子的脱附形成了金属铝层，从而赋予了表面金属性。然而，这些理论并没有充分的实验依据，而且实际表面表现出的一些特性与这些假设存在矛盾。具体来说，实验并未证实这种金属化表面具有导电性，同时高温下铝的蒸发速率很高，使得金属表面的稳定性也成为一个问题。

为了解决这些问题，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。他们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。他们使用具有原子级定义的探针尖端的nc-AFM成功地成像了α-Al₂O₃（0001）表面的原子结构。通过这种方法，他们能够直接观察到单个氧和铝原子的横向位置，并通过计算建模分析了这些原子如何与下方的晶体体相连接。研究结果表明，表面重构实际上保持了化学计量的Al₂O₃状态。重构过程中，表面铝原子通过与次表面氧原子的重混成实现了显著的能量收益，从而稳定了重构结构。

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）首次详细成像了α-铝氧化物（α-Al₂O₃）(0001)表面的复杂重构。实验中使用了具有原子级定义的探针尖端，从而获得了单个氧和铝表面原子的横向位置。

2. 实验结果：

成像和理论分析：通过非接触式原子力显微镜成像获取了α-Al₂O₃(0001)表面上氧和铝原子的横向位置。结合密度泛函理论和机器学习力场（MLFFs）的计算建模，确定了这些原子如何与下方的晶体体相连接。
研究发现，表面的重构使铝原子与次表面氧原子发生了重混成，从而显著降低了表面能量。尽管之前的研究猜测表面会失去氧原子并具有金属特性，但本研究表明重构后的表面实际上仍然保持化学计量，Al₂O₃，且表面能量得到了显著降低。这种重构的稳定性主要得益于表面铝原子的重新配位与次表面氧原子形成的键。

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。

总结展望

本文的研究揭示了铝氧化物（α-Al₂O₃）表面重构的深层机制，提供了对绝缘体表面结构的新理解。通过非接触式原子力显微镜（nc-AFM）和密度泛函理论（DFT）结合计算建模，研究团队成功解析了（0001）表面上复杂的重构。传统观点认为，该表面由于失去氧原子而表现出金属特性，但研究表明，该重构层实际上接近化学计量，且重构过程通过铝的重混成与次表面氧原子形成键，从而大幅降低了表面能量。这一发现不仅纠正了对表面金属化的误解，还揭示了铝氧化物表面稳定性的根本原因。总之，它展示了非接触式原子力显微镜在解析宽带隙绝缘体表面结构方面的强大潜力，并强调了理论与实验结合在揭示复杂材料行为中的重要性。这一成果为理解和优化广泛应用的绝缘材料提供了新的思路，并为未来材料科学的研究开辟了新的方向。

参考文献：

Xinfeng Zhou et al. ,Insulating electromagnetic-shielding silicone compound enables direct potting electronics.Science385,1205-1210(2024).

DOI:10.1126/science.adp6581

纳米人学术QQ交流群

（加群方式：请备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由管理员审核后入群。）

一维材料群-1：463352826

二维材料群-2：1075914107

复合材料群-2：834770793

可穿戴器件学术群：1032109706

光催化群-2：927909706

电池讨论群-1：418038617