中國科學(xué)院金屬研究所研究員陳春林與日本東京大學(xué)教授Yuichi Ikuhara、重慶大學(xué)副教授尹德強(qiáng)等人合作，在陶瓷材料中發(fā)現(xiàn)了區(qū)別于晶體、準(zhǔn)晶體和非晶體的固態(tài)物質(zhì)新結(jié)構(gòu)一維有序結(jié)構(gòu)（或稱為一維有序晶體）。相關(guān)成果于12月10日在《自然-材料》（Nature Materials）上在線發(fā)表。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41563-018-0240-0

　　

固態(tài)物質(zhì)按其微觀結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性可分為三大類：晶體、準(zhǔn)晶體和非晶體。晶體具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性和平移對(duì)稱性，其原子有規(guī)則地在三維空間呈周期性重復(fù)排列。準(zhǔn)晶體具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，但不具有平移對(duì)稱性。準(zhǔn)晶體的原子排列具有長程有序，但不具有三維平移周期性。非晶體不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性和平移對(duì)稱性，其原子排列不具有長程有序。以上是發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體以后，人們對(duì)固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的普遍認(rèn)識(shí)。

　　

陳春林等人利用掃描透射電子顯微術(shù)與第一性原理理論計(jì)算相結(jié)合的方法，在MgO和Nd2O3薄膜材料中發(fā)現(xiàn)了一維有序晶體，更新了人們對(duì)固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。該結(jié)構(gòu)僅在一個(gè)方向上保留了晶體的平移對(duì)稱性和周期性，在其他方向上其原子呈現(xiàn)無序排列，形成了具有一維平移周期性的長程有序結(jié)構(gòu)。構(gòu)成一維有序晶體的結(jié)構(gòu)單元的原子排列與重位點(diǎn)陣傾轉(zhuǎn)晶界的結(jié)構(gòu)單元非常類似。

 

圖2 形成于三叉晶界區(qū)域的MgO一維有序晶體的ABF STEM像（見區(qū)域I和II）。MgO一維有序晶體由許多六邊形結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成（彩色陰影所示），其原子排列與MgOΣ5 (210)[001]晶界結(jié)構(gòu)單元類似。 

　　圖3 DFT理論計(jì)算與STEM-EELS分析確定MgO一維有序晶體的原子與電子結(jié)構(gòu)。MgO晶體是能隙為7.4 eV的絕緣體，MgO一維有序晶體則是能隙為3.2eV的寬帶半導(dǎo)體。

 

　　圖4 Nd2O3薄膜材料中的一維有序晶體。Nd2O3一維有序晶體由許多六邊形結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成（彩色陰影所示），其原子排列與Nd2O3Σ9 (221) []晶界結(jié)構(gòu)單元類似。

研究表明，盡管MgO晶體是能隙為7.4 eV的絕緣體，MgO一維有序晶體則是能隙為3.2eV的寬帶半導(dǎo)體。一維有序晶體的發(fā)現(xiàn)表明固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的種類比人們的已有認(rèn)知更加豐富，并且新結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)與相應(yīng)常見結(jié)構(gòu)類型具有顯著差異。該項(xiàng)研究得到中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金與國家青年千人計(jì)劃等的資助。（來源：金屬所）