今年8月3日，北京科技大學邢獻然團隊在頂刊《Science》報道了一種可簡單實現應變工程的新方法—“相界面應變”，這也是北科大首篇第一單位Science論文。近日，11月29日Nature Communications在線發表了邢獻然教授團隊的又一最新研究成果：二氧化鈰相變，全文標題為“電荷轉移引起二氧化鈰異常相變”（Charge transfer drives anomalous phase transition in ceria）。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-018-07526-x

二氧化鈰是類重要的稀土功能材料，由于其豐富的貯/釋放氧能力、電荷遷移屬性和高的熱穩定性，在能源、催化、機械、電子、環境等領域應用廣泛，長期以來二氧化鈰一直被認為是穩定的立方相存在（空間群Fm-3m），隨著溫度的升高體積膨脹（正膨脹材料）。新近，邢獻然教授團隊朱賀博士及相關合作者，在將二氧化鈰納米化時發現，尺寸減至5nm時發現反常的負熱膨脹現象，實驗表明在負熱膨脹出現的溫區發生了相變（-25℃ - 75℃ ），溫度的升高使氧空位的束縛電荷轉移到Ce4f 軌道，導致相變的發生（圖1 所示）。

圖1 二氧化鈰的負熱膨脹和相變

固體的局域結構研究——中子全散射技術PDF測試結果揭示出最近鄰O-O原子對隨溫度升高出現收縮，發生四方到立方相的轉變，低溫二氧化鈰相的結構為四方相，空間群P42/nmc（圖2所示）。Raman光譜實驗和聲子譜計算證實這一可逆相變過程為四方（P42/nmc）——立方（Fm-3m）。

圖2 二氧化鈰的局域結構與可逆相變

二氧化鈰可逆相變的發現，以及固體局域結構的研究為二氧化鈰材料在電子、催化、能源等領域的應用提供了理論基礎。本論文部分工作與北京理工大學、美國阿貢國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室、中科院物理所、化學所等單位合作完成，同時，項目得到了國家自然科學基金等支持。（來源：本號綜合報道，參考高精尖創新中心、北科大冶金與生態工程學院等）