白色晶体

晶体学，这个最初为窥探物质原子结构和排列方式而形成的一门学科——至今有100余年历史，且已获颁23项诺贝尔奖。然而，这门学科的基础研究犹如科学界的一门“古老手艺”，人才渐缺、关注渐少。　　郭建刚是个“逆行者”。这个中国科学院物理研究所“80后”研究员执着地相信：百余年来沉淀下的晶体学知识在当今依然具有强大生命力，“认识全新物质体系，要回到最根本、最基础的结构。虽越基础、越困难，但也越重要。”　　传统科学与新月的碰撞　　正如月球研究，晶体科学就提供了新视角，而后获得了新发现。　　2020年，我国嫦娥五号从月球背面带回1731克的月壤样品。经过激烈地竞争答辩，郭建刚所在的先进材料与结构分析实验室获得了1.5克的月壤样品。　　拿到珍贵的最新月壤样品，郭建刚抑制不住内心地兴奋，这是他的研究课题第一次触及“太空”。　　“月球土壤与我们在地面上看到的土壤类似，是一些矿石经过不断风化，逐渐变成细碎的土壤。”郭建刚介绍。　　与大多形态形貌研究不同，他们想借助自身优势，在更深、更细处探索未知，剖析月壤内部结构与原子分布状态，试图“见微知著”，了解太阳风化和月球演变等。　　装在白色透明小瓶里，月壤犹如碳粉一般，呈黑色粉末状。郭建刚首先要做的是“挑样”——在数十万个颗粒中挑出微米级大小的晶体，这是项考验耐心的技术活。　　晶体的大小约等于一根头发丝直径，郭建刚站在手套箱前、紧盯着显微镜，寻找着在特殊灯光照射下反射亮光的晶体，然后屏住呼吸，利用一根纤细挑样针的静电效应，小心翼翼“粘”出。　　他和学生两人一组，反复这一连串动作，每次需要持续3小时。为保证安静环境，他们常常在深夜工作，结束时身体僵直、眼睛酸胀、几近“崩溃”。　　实验室窗台上的几盆被拔“秃头”的仙人球见证着他们的付出，他们需要使用仙人球的刺来“粘”住微米级晶体，放置在四圆衍射仪和高分辨透射电镜上测试晶体结构。　　郭建刚知道，我国嫦娥五号采集的月壤样品属于最年轻的玄武岩，且取样点的纬度最高，为探究月壤在太空风化作用下的物质和结构演化提供了新机会。挑选样品的质量，在一定程度上或许决定了能否把握住这次机会，因此，必须仔细再仔细。　　郭建刚和团队在月壤样品中找到了铁橄榄石、辉石和长石等晶体，经过测试，在铁橄榄石表面发现了非常薄的氧化硅非晶层，这其中包裹着大小为2到12纳米的晶体颗粒，通过系统的电子衍射及指标化、高分辨原子相和化学价态分析，确认它们是氧化亚铁，并非此前在其他月壤样品中发现的金属铁颗粒。　　他们还在铁橄榄石中还观察到了分层的边缘结构，这种特殊的微结构首次在月球土壤中看到。　　扎实的数据得到了美国行星之父、匹兹堡大学地质与行星科学系教授Bruce Hapke的肯定：“这种橄榄石晶体的边缘结构是独特的。”　　“我们确认了铁橄榄石在太空风化作用下出现了分步分解现象。通过表面微结构和微区晶体结构分析，我们首次在铁橄榄石的边缘确认了氧化亚铁的存在，表明矿物在风化过程中，经历了一个中间态，而非一步到金属游离铁，这将有利于进一步理解月球矿物的演变历史。”郭建刚说。　　越基础，越重要　　2008年，从吉林大学硕士毕业，郭建刚来到物理所跟随陈小龙研究员攻读博士学位。在团队里，他感受到的第一个研究“逻辑”就是，要想得到或利用一个材料，首先要想办法弄清楚材料最基本的晶体结构，理解原子之间的排布与结合方式。　　“是什么、为什么、能做些什么，这是我们要探索全新体系时要回答的三个基本问题。”他至今记得，博士期间，按照这条“底层逻辑”，做出了第一个让他惊奇的超导新材料。从此，他便更加热爱晶体科学。　　“晶体，尤其是超导这类单晶，非常重要，在电力运输、磁悬浮等有着广泛应用，若原子微观结构不清楚，很难理解和优化其物性，离应用就更远了。”郭建刚说。　　的确，对物质晶体结构的了解，有助于在物质内部微观结构、原子水平的基础上，阐明物质各种性能，并为改善材料的性能、探索新型材料和促进材料科学的发展提供重要科学依据。　　10余年来，郭建刚一直牢记着这个“逻辑”。他以探索电磁功能材料和生长晶体为主要方向，以理解晶体结构为出发点，研究材料的物性和晶体结构之间的关系，取得了诸多重要成果。　　2010年，还在读博期间，郭建刚在国际上最早制备出了碱金属钾插层铁硒超导体系，其最高超导转变温度为30 K，创造了当时常压下FeSe基化合物超导转变温度的最高纪录。　　该成果开辟了国际铁基超导研究的新领域，所开创的研究方向‘Alkali-doped iron selenide superconductors’被汤森路透《2013研究前沿》和《2014研究前沿》列为物理学10个最活跃前沿领域之首和第7名，将其发展成了与铁砷基并列的第二类铁基高温超导体。　　他成功地解决了较小尺寸碱金属钾插层铁硒的难点，制备出了纯相的钠插层铁硒超导体，进一步将超导转变温度提高至37 K。　　弄清晶体结构，会大大缩短新型材料探索时间、加速解决实际问题。　　郭建刚介绍，用传统方法合成一个新材料，需要不断地试，因为不知道哪些组分、温度等合适，试的足够多，可能会碰到一个新的，但试错法效率低、成本高。而弄清楚了晶体结构，就能了解某一类材料中物性的决定性单元（也称功能基元），再以此为基础，发展新的材料体系，“比如要制备一个新材料，有3个组分，通过晶体结构分析，我们能发现决定材料物性的功能基元，就能够以相应的物性为导向，高效地探索新材料和新效应。”　　即以不同功能基元为基础，调控基元的排列方式，或通过调控功能基元里配位的原子种类和数目来改变其电子结构，制备新高温超导晶体体和诱导新效应。　　基于这一思路，由陈小龙牵头，郭建刚作为第2完成人所承担的挑战性课题“基于结构基元的新电磁材料和新效应的发现”，荣获2020年度国家自然科学二等奖，这项成果解决了由功能基元出发、高效探索新材料和新效应的若干关键科学问题，推动了无机功能材料科学的研究与发展。　　肩负重任的新生力量　　在先进材料与结构分析实验室，作为青年科学家的郭建刚，肩负延续学科发展与服务国家需求新的重任。　　“老一辈科学家的事迹和精神始终鼓舞着我。”郭建刚说。“陆学善院士和梁敬魁院士分别是中国著名的晶体物理学家和晶体物化学家，导师陈小龙除了在晶体结构分析和单晶生长具有深厚的学术功底，也是推动碳化硅晶体从基础研究到产业化的先行者之一。　　让郭建刚感触最深的是，老师们总是以一丝不苟的态度，对待基础研究，即使看似很小的工作也做得非常扎实、严谨。　　他一直记得陆学善先生和梁敬魁先生的一个科研故事，上世纪60年代，梁敬魁回国来到物理所，与陆学善合作开展了铜-金二元体系超结构研究，为了达到合金的平衡态，需要诸多工艺，单是退火处理这一个工艺过程，就需要六个月或者一年时间。他们耐住寂寞，几年之后，获得了一系列长周期的超结构相，其中有的是国外研究者已经研究多年，却始终没有观察到的现象。　　“在很多人看来，这样的研究方法可能比较‘原始’，但恰是这种方法，为科研打下了扎实的基础，产出了诸多原创性成果。”郭建刚说，耐心、潜心是他从老先生那里学到的科学精神。　　在郭建刚看来，今天，研究组在晶体生长领域产生了多项引领性的工作，尤其在碳化硅宽禁带半导体生长与新功能晶体材料探索方面，都是在多年的基础研究积累上取得的。　　碳化硅是一种重要的宽禁带半导体，具有高热导率、高击穿场强等特性和优势，是制作高温、高频、大功率、高压以及抗辐射电子器件的理想材料，在军工、航天、电力电子和固态照明等领域具有重要的应用，是当前全球半导体材料产业的前沿之一和国内“十四五”规划重点攻关的半导体材料之一。　　然而，一直以来，用于应用研究的大尺寸单晶存在较多难以突破的关键科学和技术问题，严重影响器件性能，诸多关键技术和设备面临着国外封锁。　　近年来，针对相关难题，在陈小龙的带领下，郭建刚在扎根基础研究的同时，与团队共同推动研究成果产业转化，获得了2020年度中国科学院科技促进发展奖。　　“最大的挑战是基础研究领域的突破，在晶体研究领域，我们还需要更细致、更系统和更‘原始’的研究。”郭建刚深知，基础科学问题的突破将会极大地提高晶体的质量和应用范围，给学术和产业界带来巨大变革，但攀登科学高峰这条路必定不轻松，还好，有热爱，可抵漫长岁月。

p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 44.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201508/insimg/4c6d9404-6ff7-4f96-96ac-13d87238dda1.jpg" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" 消防员将矿泉水倒在疑似危化品残留物上，该物体冒出气泡后迅速爆燃。 /p p 　　8月14日下午2时许，新京报记者在距离爆炸点西侧100米的海滨高速桥底下，看到一滩黑色疑似危化品残留物，约两只鞋子大小。一名消防人员正在往疑似危化品残留物上倒水。 /p p 　　新京报记者注意到，水一倒下该物体便冒出气泡，发出如打开可乐时的“呲呲”声。随后燃起火苗，冒出白烟，伴随火星四溅发出较大的爆炸声。此时火星四溅的场面与12日晚网友拍摄的爆炸场景相似。 /p p 　　在这条长约一两百米长的马路上，消防队员共发现7到8处相似的危化品残留物，很多都已挥发掉仅剩痕迹。据现场消防队员介绍，这些危化品残留物，应该是爆炸时抛洒出来的。 /p p 　　目前，现场消防队员准备用土掩埋残留物。 /p p 　　在14日上午举行的新闻发布会上，天津市环保产业协会专家王连卿在面对“如果下雨，氰化钠遇水是否会对市民产生影响”一问时回答，“现场完全封锁，所有溶解性化学物质，都会存留在现场。一般的雨不会造成影响。” /p p /p

近日，清华大学材料学院于荣教授课题组与李千副教授课题组在晶体取向成像方法和位错三维结构研究中取得进展。该研究基于课题组近期发展的自适应传播因子叠层成像方法，在自支撑钛酸锶薄膜中同时实现了深亚埃分辨的原子结构成像和亚纳米分辨的晶体取向成像，并揭示了钛酸锶中位错芯在电子束方向的结构变化。晶格缺陷是材料中的重要组成部分。相对于完美基体，缺陷处的对称性、原子构型、电子结构都发生变化，在调节材料整体的力学、电学、发光和磁性行为方面发挥着关键作用。然而，缺陷处的对称破缺和原子的复杂构型也给缺陷结构的精确测量带来障碍。比如，位错附近不可避免存在局域应变和晶体取向变化，但是用高分辨电子显微学表征晶体中的原子构型又要求晶带轴平行于电子束，否则分辨率会显著降低。这个矛盾一直是位错原子结构的实验分析中难以克服的困难。研究组通过自适应传播因子多片层叠层成像技术研究了钛酸锶中位错芯的原子结构。如图1所示，研究成功地将晶体倾转从原子结构成像中分离出来，同时实现了达到深亚埃分辨率的原子结构成像和亚纳米分辨率的晶体取向成像。图1. SrTiO3中位错的结构像和取向分布。a、叠层成像的重构相位。b、图a中相位图的衍射图，黄色虚线表示0.3Å的信息极限。c、叠加相位图的晶体倾转分布，白色箭头表示[001]方向在平面内的投影，黄色箭头表示位错核的横向移动。d、晶体在[100]和[010]方向的倾转的分布。标尺长1nm在图1中，位错芯看起来范围很小，只有一两个单胞。这种衬度在位错的高分辨成像中很普遍，人们通常认为这样的位错是沿着电子束方向的直线。然而，应用多片层叠层成像的深度分辨能力，可以看出该位错并不是一根直线，而是随着样品深度发生横向位移，形成位错扭折，如图2所示。图2. 刃位错的三维可视化。a、刃位错的相位图；标尺长5Å。b、图a中用A-B标记的分裂原子柱相位强度的深度变化。c、Sr、TiO和O原子柱的相位强度的深度分布。d、深度分别为2.4nm、6.4nm和12.0nm的相位图；标尺长5Å。e、图d中标记的原子柱的相位随样品深度的变化。f、位错扭折示意图该研究还比较了叠层成像和iCOM技术（其简化版即常见的iDPC技术），结果显示叠层成像在横向和深度方向的分辨率都显著优于iCOM和iDPC，如图3所示。图3.多片层叠层成像和系列欠焦iCOM的深度切片。a、多片层叠层成像和iCOM的深度切片；从上到下，切片深度分别为1nm、4nm和11nm；标尺长5Å。b、沿着位错扭折的势函数和相位图的横截面；从左到右分别是用于生成模拟数据集的势函数、多片层叠层重构的相位和系列欠焦iCOM相位；可以看出，iCOM的模糊效应显著大于叠层成像。c、图b中所示的原子柱的相位随样品深度的变化。黑色垂直虚线表示沿原子柱的转折点的真实位置（与图b中白色虚线所示位置相同）；可以看出，iCOM在深度方向的模糊效应也大于叠层成像研究总结了多个位错芯的深度依赖结构与晶体取向分布，揭示了位错移动与薄膜形变方式的相互关系。如图4所示，当薄膜绕位错的滑移面法线方向扭转时，位错滑移；当薄膜绕位错的滑移面法线方向弯曲时，位错攀移。图4. SrTiO3中多个位错的晶体倾转分布。a、包含三个位错的区域的相位图。b、对应图a中区域的晶体倾转分布，其上叠加了相位图；黄色箭头表示位错的横向移动方向。图a和b中的标尺为15Å。c、晶体倾转与位错横向位移的相互关系；晶格矢量c由于倾斜矢量t变为c’，即c’=c+t；黑色方块用于说明应变状态；左边为扭转，右边为弯曲；在两种形变模式中，薄膜上部和下部的应变都是反向的，对应位错向相反方向的横向移动。图b中左上角的位错和图2中的位错对应于扭转模式；图b的中心和右上方的位错对应于两种模式的混合研究结果以“晶体取向的亚纳米尺度分布和钛酸锶位错芯的深度依赖结构”（Sub-nanometer-scale mapping of crystal orientation and depth-dependent structure of dislocation cores in SrTiO3）为题于1月11日发表在学术期刊《自然通讯》（Nature Communications）上。清华大学材料学院2018级博士生沙浩治、2022级博士生马云鹏、物质科学实验中心工程师曹国平博士、2019级博士生崔吉哲为共同第一作者，于荣教授与李千副教授为共同通讯作者。物质科学实验中心程志英高级工程师在实验数据采集中提供了重要帮助。该研究获得国家自然科学基金基础科学中心项目的支持。