自然中普遍存在的現(xiàn)象，如云層中水分子在灰塵礦物質(zhì)表面的聚集造成的降水/降雪、生物礦物質(zhì)的形成等物理/化學(xué)過(guò)程等，都與基于結(jié)構(gòu)物態(tài)相變的物理機(jī)制有關(guān)。發(fā)展液固相變成像技術(shù)，在原子尺度上對(duì)液固相變自下而上的成核結(jié)晶熱力學(xué)/動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)表征，揭示相變微觀(guān)物理圖像，對(duì)生長(zhǎng)機(jī)理研究和新材料合成及應(yīng)用具有重要意義。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員白雪冬課題組在過(guò)去二十年致力于發(fā)展高分辨原位綜合物性測(cè)量系統(tǒng)，在透射電鏡內(nèi)構(gòu)筑器件單元和微納測(cè)量系統(tǒng)，在外場(chǎng)（力、熱、電、光等）激勵(lì)下，產(chǎn)生、觀(guān)測(cè)和調(diào)控新物態(tài)與新物性。最近，基于像差矯正電鏡技術(shù)和原位液相反應(yīng)池技術(shù)，該課題組副研究員王立芬與合作者在新型二維結(jié)構(gòu)的液相合成方法與生長(zhǎng)機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展。
研究團(tuán)隊(duì)利用石墨烯模板法即石墨烯包裹化學(xué)反應(yīng)溶液隔絕于透射電鏡中超高真空的方法，通過(guò)原位顯微成像和顯微譜學(xué)研究，結(jié)合第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了在受限液體環(huán)境中具有新型二維結(jié)構(gòu)的BeO結(jié)晶生長(zhǎng)機(jī)制。BeO的自然穩(wěn)定相為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，陰陽(yáng)離子沿<0001>晶體方向存在極性表面，理論認(rèn)為在低層數(shù)下結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定（極化災(zāi)難），陰陽(yáng)離子會(huì)塌縮到同一層形成二維結(jié)構(gòu)。在液相反應(yīng)系統(tǒng)中自下而上的實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)表征為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一預(yù)言提供了可能，而且石墨烯的表面無(wú)懸掛鍵，避免了襯底界面應(yīng)力影響，是理想的本征熱力學(xué)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(jié)構(gòu)明顯有異于纖鋅礦結(jié)構(gòu)，為面內(nèi)六角結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)二維層狀特征；進(jìn)一步的原位角分辨EELS表征證實(shí)，石墨烯反應(yīng)池中BeO的化學(xué)鍵構(gòu)型存在明顯的面內(nèi)面間的各向異性。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在層數(shù)相對(duì)較多的厚度內(nèi)BeO仍然保持穩(wěn)定的六角結(jié)構(gòu)，理論計(jì)算分析表明，其與纖鋅礦相之間的相變勢(shì)壘以及無(wú)外延應(yīng)力的石墨烯模板是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的動(dòng)力學(xué)原因。
該工作發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed. 59，2-9（2020））上。文章在線(xiàn)發(fā)表后，被《科學(xué)》雜志編輯選為亮點(diǎn)文章進(jìn)行報(bào)道和評(píng)論（Science 369，46-47 (2020)）。原位電鏡石墨烯液相反應(yīng)池方法實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)表征結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程和微觀(guān)結(jié)構(gòu)變化，是一種獨(dú)特的反應(yīng)環(huán)境用于生長(zhǎng)新型二維材料。
王立芬為共同第一作者和通訊作者，復(fù)旦大學(xué)教授高尚鵬和美國(guó)田納西大學(xué)教授顧工為共同通訊作者。該工作得到了中科院、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院青促會(huì)等的資助。
BeO纖鋅礦結(jié)構(gòu)極性原子模型與石墨烯液相反應(yīng)池
石墨烯反應(yīng)池合成BeO納米晶粒與外延生長(zhǎng)BeO薄膜的TEM/EELS結(jié)果對(duì)比
液相反應(yīng)池中BeO納米晶與外延薄膜纖鋅礦BeO的角分辨EELS結(jié)果對(duì)比
BeO兩種結(jié)構(gòu)EELS模擬與相變勢(shì)壘的第一性原理計(jì)算
電池網(wǎng)微信
