原位电镜见证氧释放驱动相变！

【研究背景】

无限层过渡金属氧化物（如SrFeO2）因其二维氧配位和强烈的面内轨道杂化展现出引人注目的电子和磁性特性。这种结构的合成主要依赖于动力学控制的氧富集前体相还原。然而，这种合成方法存在一些挑战，包括可能引入氢杂质影响物理性质，以及高温条件下捕捉快速相变的困难。

为解决这些问题，韩国成均馆大学Woo Seok Choi, Jaekwang Lee以及韩国能源技术研究院能源工程系 Sang Ho Oh教授合作在“Nature Chemistry”期刊上发表了题为“Monitoring the formation of infinite-layer transition metal oxides through in situ atomic-resolution electron microscopy”的最新论文。研究人员利用原位原子分辨电子显微镜技术，实时追踪了氧导电性导致的SrFeO2.5到SrFeO2的相变过程。研究发现，氧的释放具有高度各向异性，并且由晶格重新定向主导，这种重新定向通过铁和氧离子的协同混排位移实现。此外，三维到二维的氧重新配置得益于FeOx多面体层的晶格柔性，通过多种瞬态状态的采用实现氧导电。这一发现不仅揭示了SrFeO2的转变机制，还为理解类似铜酸盐和镍酸盐超导体中的相似过程奠定了基础，推动了无限层过渡金属氧化物领域的进一步研究。

【表征亮点】

（1）实验首次通过原位高分辨透射电子显微镜（HRTEM）在负球差（Cs）成像条件下观察到SrFeO2.5转变为无限层SrFeO2过程中的原子尺度动态。这一实验揭示了从三维多面体到二维平面方形氧配位的相变过程。

（2）实验通过对超薄SrFeO2.5样品在氢气-free真空环境中进行加热退火，获得了关于氧导电机制的关键结果。首先，氧的释放过程表现出显著的各向异性，主要由晶格重新定向控制，使快速扩散通道对齐到样品的最短维度。这一过程由铁和氧离子的协同但混排位移促成。

（3）氧的三维到二维重新配置是通过FeOx多面体层的晶格柔性实现的，这些层通过采用多种离散的瞬态状态来适应氧的导电。最后，研究表明，这种转变机制可能在具有类似结构特征的铜酸盐和镍酸盐超导体中也会发生，为理解无限层过渡金属氧化物的原子尺度动态提供了新的视角。

【图文解读】

图1：通过原位高分辨透射电子显微镜（HRTEM）捕获的SrFeO2.5–SrFeO2相界面的结构演变。

图2. 导致VO通道90°重新配置的原子级位移——实验与模拟。

图3. 氧释放和重新排列的原子尺度机制——原位HRTEM图像分析。

图4. VO形成和迁移的能量学，决定了氧的去除和重新排列的顺序。

【科学启迪】

本文揭示了无限层过渡金属氧化物中从三维多面体到二维平面方形氧配位的相变机制，通过实时原子分辨电子显微镜技术对SrFeO2.5转变为SrFeO2的过程进行了详细分析。研究发现，氧的释放具有显著的各向异性，由晶格重新定向和铁、氧离子的协同混排位移控制。这一过程的实现依赖于FeOx多面体层的晶格柔性，能够通过采用多种多面体配置来适应氧的去除或添加。相变过程中的三维到二维重新配置通过多个离散的瞬态状态完成，遵循最小能量消耗的路径。

这些发现不仅为理解SrFeO2的转变机制提供了新的视角，也为类似材料（如铜酸盐和镍酸盐超导体）中的相似过程奠定了基础。通过揭示氧导电机制的细节，本文为进一步探索无限层过渡金属氧化物的特性和潜在应用提供了理论支持。

参考文献：Xing, Y., Kim, I., Kang, K.T. et al. Monitoring the formation of infinite-layer transition metal oxides through in situ atomic-resolution electron microscopy. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01617-7