物理学家解开了准晶体形成之谜

来源：cnBeta 　2023-02-23 11:50:39

(资料图片仅供参考)

在高温下，二维氧化钛的结构被打破，并在加入钡后形成由四个、七个和十个原子组成的环，而不是典型的六边形。来自哈雷-维滕贝格马丁路德大学（MLU）的一个研究小组与马克斯普朗克微结构物理研究所、格勒诺布尔阿尔卑斯大学和美国盖瑟斯堡国家标准与技术研究所合作，发现了这种原子的非周期性排序。

一个由不同大小的环组成的子结构将自己无缝嵌入到一个六边形结构中。资料来源：马丁路德大学哈雷-维滕贝格分校

他们的研究解决了从金属氧化物中形成二维准晶体的奥秘，最近发表在《自然通讯》杂志上。

"六角形在自然界中经常被发现。最著名的例子是蜂窝，但石墨烯或各种金属氧化物，如氧化钛也形成这种结构。六边形是周期性排列的理想模式，"MLU物理研究所表面和界面物理组的研究员Stefan Förster博士解释说。"它们如此完美地结合在一起，没有任何缝隙。"

2013年，该小组在铂金基底上沉积了一个含有氧化钛和钡的超薄层，并在超高真空中加热到约1000摄氏度时，有了一个惊人的发现。原子排列成三角形、正方形和菱形，这些三角形、正方形和菱形组合成甚至更大的具有12条边的对称形状。一个具有12倍旋转对称性的结构被创造出来，而不是预期的6倍周期性。

根据福斯特的说法，"准晶体被创造出来，具有非周期性的结构。这种结构是由高度有序的基本原子团组成的，即使这种有序性背后的系统性对观察者来说是难以辨别的。"来自哈雷的物理学家们是世界上第一个证明在金属氧化物中形成二维准晶体的人。

自他们发现以来，这种准晶体的形成机制仍然令人费解。MLU的物理学家现在与来自哈雷马克斯-普朗克微结构物理研究所、格勒诺布尔-阿尔卑斯大学和美国国家标准与技术研究所（美国盖瑟斯堡）的研究人员合作，解决了这个谜题。利用精心设计的实验、高能计算和高分辨率显微镜，他们表明，高温和钡的存在创造了一个分别有四个、七个和十个原子的钛和氧环的网络。

"钡既打破了原子环，又稳定了它们，"领导该联合项目的Förster解释说。"一个钡原子嵌入一个七原子环中，两个嵌入一个十原子环中"。这是可能的，因为钡原子与铂金支撑物发生静电作用，但不与钛原子或氧原子形成化学键。

通过他们的最新发现，研究人员所做的不仅仅是澄清了一个基本的物理学问题。Förster说："现在我们对原子层面的形成机制有了更好的理解，我们可以尝试在其他与应用相关的材料（如金属氧化物或石墨烯）中按需制造这种二维准晶体。我们很高兴能够了解这种特殊的排列方式是否会产生全新的、有用的特性"。

这些实验是作为 "超周期晶体：结构、动力学和电子特性 "项目的一部分进行的，该项目由德国研究基金会和法国国家研究机构资助。

推荐DIY文章