自然中普遍存在的現(xiàn)象，如云層中水分子在灰塵礦物質表面的聚集造成的降水/降雪、生物礦物質的形成等物理/化學過程等，都與基于結構物態(tài)相變的物理機制有關。發(fā)展液固相變成像技術，在原子尺度上對液固相變自下而上的成核結晶熱力學/動力學行為進行實時觀測表征，揭示相變微觀物理圖像，對生長機理研究和新材料合成及應用具有重要意義。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室研究員白雪冬課題組在過去二十年致力于發(fā)展高分辨原位綜合物性測量系統(tǒng)，在透射電鏡內(nèi)構筑器件單元和微納測量系統(tǒng)，在外場（力、熱、電、光等）激勵下，產(chǎn)生、觀測和調控新物態(tài)與新物性。最近，基于像差矯正電鏡技術和原位液相反應池技術，該課題組副研究員王立芬與合作者在新型二維結構的液相合成方法與生長機理研究方面取得新進展。
研究團隊利用石墨烯模板法即石墨烯包裹化學反應溶液隔絕于透射電鏡中超高真空的方法，通過原位顯微成像和顯微譜學研究，結合第一性原理計算，發(fā)現(xiàn)了在受限液體環(huán)境中具有新型二維結構的BeO結晶生長機制。BeO的自然穩(wěn)定相為纖鋅礦結構，陰陽離子沿<0001>晶體方向存在極性表面，理論認為在低層數(shù)下結構不穩(wěn)定（極化災難），陰陽離子會塌縮到同一層形成二維結構。在液相反應系統(tǒng)中自下而上的實時觀測表征為實驗驗證這一預言提供了可能，而且石墨烯的表面無懸掛鍵，避免了襯底界面應力影響，是理想的本征熱力學研究模板。原位顯微成像及電子能量損失譜分析表明，石墨烯液相池中BeO晶粒的結構明顯有異于纖鋅礦結構，為面內(nèi)六角結構，呈現(xiàn)二維層狀特征；進一步的原位角分辨EELS表征證實，石墨烯反應池中BeO的化學鍵構型存在明顯的面內(nèi)面間的各向異性。實驗還發(fā)現(xiàn)，在層數(shù)相對較多的厚度內(nèi)BeO仍然保持穩(wěn)定的六角結構，理論計算分析表明，其與纖鋅礦相之間的相變勢壘以及無外延應力的石墨烯模板是結構穩(wěn)定的動力學原因。
該工作發(fā)表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed. 59，2-9（2020））上。文章在線發(fā)表后，被《科學》雜志編輯選為亮點文章進行報道和評論（Science 369，46-47 (2020)）。原位電鏡石墨烯液相反應池方法實現(xiàn)了實時觀測表征結晶生長過程和微觀結構變化，是一種獨特的反應環(huán)境用于生長新型二維材料。
王立芬為共同第一作者和通訊作者，復旦大學教授高尚鵬和美國田納西大學教授顧工為共同通訊作者。該工作得到了中科院、科技部、國家自然科學基金委和中科院青促會等的資助。
BeO纖鋅礦結構極性原子模型與石墨烯液相反應池
石墨烯反應池合成BeO納米晶粒與外延生長BeO薄膜的TEM/EELS結果對比
液相反應池中BeO納米晶與外延薄膜纖鋅礦BeO的角分辨EELS結果對比
BeO兩種結構EELS模擬與相變勢壘的第一性原理計算
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