賓夕法尼亞州立大學、康奈爾大學和阿爾貢國家實驗室的材料科學家們首次可視化了迄今為止解碼出的最複雜鈣鈦礦晶體結構系統的三維原子和電子密度結構。鈣鈦礦是一種具有電氣絕緣體、半導體、金屬或超導體性質的礦物，其性質取決於其原子和電子的排列。鈣鈦礦晶體中有一組不同尋常的氧原子，它們組成了一個八面體——一個八面的多邊形。氧原子的這種排列就像一個籠子，可以容納週期表中大量的元素原子。此外其他原子可以固定在籠外立方體的各個角落的精確位置，以改變材料的性質，例如將金屬變成絕緣體，或將非磁鐵變成鐵磁體。在目前的研究中，研究小組培育了第一個發現的鈣鈦礦晶體，稱為鈦酸鈣。

博科園-科學科普：生長在一系列鈣鈦礦晶體基質之上，這些基質表面有類似但略有不同的氧籠。由於頂部的薄膜鈣鈦礦想要符合較厚基體的結構，它在一個稱為傾斜外延的過程中扭曲了保持架。研究人員發現，這種傾斜的鈦酸鈣外延導致一種非常普通的材料變成了鐵電體（一種自發極化）並使鐵電體保持在900開氏度以下，溫度大約是室溫的三倍，還首次能夠直觀地看到鈦酸鈣薄膜中的三維電子密度分佈。賓夕法尼亞州立大學(Penn State)材料科學與物理學教授文卡特?戈帕蘭(Venkat Gopalan)表示:「我們能夠看到原子已經有相當一段時間了，但無法在三維空間中繪製出它們及其電子在晶體中的分佈。

如果不僅能看到原子核在空間中的位置，還能看到它們的電子云是如何共享的，那基本上就能告訴我們，要推斷出這種物質的性質，需要知道的一切。五年前，當戈帕蘭把這個項目交給他的學生、《自然通訊》(Nature Communications)一篇新報告的主要作者亞昆元(Yakun Yuan)時，這個團隊為自己設定了這個挑戰。袁亞非基於一種很少使用的x射線可視化技術COBRA(相干布拉格棒分析)，該技術最初是由以色列的一個研究小組開發的，袁亞非發現瞭如何擴展和修改這項技術，以分析迄今為止研究的最複雜、最不對稱的材料系統之一。該體系是一種應變三維鈣鈦礦晶體，八面體向各個方向傾斜，生長在另一個同樣複雜的晶體結構上。

為了揭示原子層面的三維結構細節，必須使用Argonne國家實驗室現有的最先進的同步加速器x射線源來收集大量的數據集，並使用經過修改的COBRA分析代碼仔細分析它們，以適應這種低對稱性的複雜性。戈帕蘭接著解釋說，很少鈣鈦礦氧籠在整個材料中是完美排列的。有些原子在一層逆時針旋轉，在下一層順時針旋轉。一些保持架被擠壓變形或向與基體表面平面內或平面外的方向傾斜。從薄膜與生長在其上的基體的界面，一直到其表面，每個原子層的結構和模式都可能發生獨特的變化。所有這些扭曲都會對材料的性能產生影響，他們可以使用密度泛函理論(DFT)的計算技術來預測材料的性能。

負責進行理論計算的材料科學與工程教授蘇珊·辛諾特(Susan Sinnott)說：來自DFT計算的預測提供了補充實驗數據的洞見，並有助於解釋鈣鈦礦氧籠排列或傾斜時材料性能的變化方式。研究小組還在賓夕法尼亞州立大學材料研究所使用強大的泰坦透射電子顯微鏡對他們的材料的多幅圖像驗證了他們先進的COBRA技術。由於電子顯微鏡的圖像在二維投影中是非常薄的電子透明樣品，所以即使使用當今最好的顯微鏡和多個樣品方向，也不能捕捉到所有的三維圖像。在這個領域，COBRA技術的三維成像技術在如此複雜的結構中表現優於電子顯微鏡。研究人員相信他們的COBRA技術適用於其他許多三維低對稱性原子晶體的研究。

博科園-科學科普｜研究/來自：賓夕法尼亞州立大學

參考期刊文獻 :《Nature Communications》

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