原子力显微镜解析绝缘体表面神秘重构！

【研究背景】

α-铝氧化物（α-Al₂O₃），也被称为红宝石或蓝宝石，是一种重要的绝缘体材料，广泛应用于催化剂支持体、微电子学以及天然矿物研究等领域。与传统的绝缘体材料相比，α-Al₂O₃具有高介电强度、优良的机械硬度、化学和热稳定性以及出色的光学性质。然而，这些优点的背后也隐藏着挑战。由于宽带隙绝缘体的表面结构解析困难，尤其是对于像α-Al₂O₃这样的材料，传统的带电粒子实验技术在成像时的应用受到限制，这给科学研究带来了不少问题。

近期，奥地利维也纳工业大学Johanna I. Hütner，Andrea Conti，Jan Balajka等研究小组在解析铝氧化物（0001）表面重构方面取得了重要进展。该团队利用非接触式原子力显微镜（nc-AFM）和密度泛函理论（DFT）结合机器学习力场（MLFFs）对α-Al₂O₃表面进行了详细研究。通过nc-AFM技术，研究人员能够以原子级精度成像并确定了表面复杂的（×）R±9°重构结构。此前的研究曾认为该表面因氧原子的脱附而具有金属特性，但本研究表明，实际的表面结构几乎是化学计量的。

计算结果显示，铝原子的重混成允许其与次表面氧原子形成键，这种重新配位显著降低了系统的表面能量，极大地稳定了重构结构。这项研究不仅揭示了α-Al₂O₃表面的实际结构，还提高了对宽带隙绝缘体表面行为的理解，为相关领域的研究提供了新的理论依据和技术支持。

【表征解读】

本文通过非接触式原子力显微镜（nc-AFM）和密度泛函理论（DFT）对α-铝氧化物（α-Al₂O₃）的（0001）表面进行了精确的表征和解读。通过使用具备原子级定义的探针尖端的nc-AFM，研究团队成功成像了α-Al₂O₃表面复杂的（×）R±9°重构。这一重构模式的发现揭示了表面在高温条件下如何通过原子重排来显著降低表面能量，从而稳定重构状态。

在以往的研究中，有学者提出该表面可能失去氧原子，展现出金属特性。然而，通过nc-AFM获得的实验数据和随后的计算建模表明，这种复杂的重构实际上是接近化学计量的，即表面仍保持Al₂O₃的化学组成。该重构的形成允许铝原子与次表面氧原子重新混成，从而显著降低了表面能量。具体来说，重构前，表面铝原子处于不稳定的三重平面配位状态；而重构后，铝原子与次表面氧原子形成了更稳定的配位结构，导致了能量的大幅度降低。

在实验和理论分析的基础上，本文不仅成功揭示了α-Al₂O₃表面复杂重构的原子级细节，还阐明了这种重构如何通过改变表面铝的配位状态来提高稳定性。这一发现表明，即便是高温条件下形成的铝表面也并非如之前预测的那样不稳定，反而通过重构达到了新的平衡状态。

【图文速递】

图1：Al2O3(0001)的重构晶面。

图2：Al2O3(0001)的表面的结构模型。

图3：稳定Al2O3(0001)终端与实验原子力显向表征AFM匹配。

【科学启迪】

本文通过非接触式原子力显微镜（nc-AFM）和密度泛函理论（DFT）的结合，揭示了铝氧化物（α-Al₂O₃）(0001)表面的大规模重排机制。之前的研究提出该表面因氧原子丧失而具有金属特性，但Hütner等人通过实验和理论分析发现，表面的复杂（×）R±9°重构实际上接近化学计量状态，即Al₂O₃。成像技术提供了横向原子位置的信息，而理论模型则显示铝原子的重混成使其能够与次表面氧原子形成键，从而显著稳定了表面重构。

它挑战了之前关于绝缘体表面金属性质的假设，提供了更准确的表面结构模型。其次，通过结合实验和计算方法，展示了如何有效解析宽带隙绝缘体的表面结构，这对理解和设计新型材料具有重要意义。最后，研究结果强调了原子级精度成像和理论计算在解析复杂材料表面结构中的重要性，为未来在材料科学领域的研究提供了新的思路和方法。

参考文献：Xinfeng Zhou et al. ,Insulating electromagnetic-shielding silicone compound enables direct potting electronics.Science385,1205-1210(2024).DOI:10.1126/science.adp6581