维也纳工业大学Science：颠覆认知，解析重构Al₂O₃表面！

一、【科学背景】

随着材料科学和表面物理学的不断进展，解析绝缘体表面的原子级结构成为了一个重要而挑战性的任务。尤其是对于宽带隙绝缘体，由于其电导性差，传统的基于带电粒子的实验技术（如电子显微镜）难以适用，这引起了科学界对其表面结构的浓厚关注。以铝氧化物（α-Al₂O₃）为例，它不仅在电子学和催化领域有着广泛应用，而且在自然矿物和气候研究中的重要性也日益突出。然而，尽管α-Al₂O₃拥有高介电强度、优良的机械硬度以及极好的光学性质，它的表面结构在高温条件下会发生复杂的重排，表面晶胞的面积是表面正下方晶体晶胞的31倍，并且也旋转了9^o。这种改变称为( × )R±9°表面重构，是复杂氧化物表面的典型示例。早期的研究表明，这种重构可能是由于表面氧原子的脱附形成了金属铝层，从而赋予了表面金属性。

二、【创新成果】

近期，奥地利维也纳工业大学应用物理研究所Jan Balajka教授在Science上发表了题为“Stoichiometric reconstruction of the Al₂O₃(0001) surface”的论文，报道了利用原子定义的尖端顶点的非接触原子力显微镜（nc-AFM），首次对α-Al₂O₃(0001)表面进行成像。通过这种方法，研究人员能够直接观察到单个O和Al原子的横向位置，并通过DFT计算建模分析了这些原子如何与下方的晶体体相连接。结果表明，α-Al₂O₃(0001)表面重构并未发生金属化，实际上保持了化学计量的Al₂O₃状态。重构过程中，表面Al原子通过与次表面O原子的再混合，实现了显著的能量收益，从而稳定了重构结构。

图1  nc-AFM解析Al₂O₃(0001)的重构晶面 © 2024 AAAS

图2  Al₂O₃(0001)重构表面的结构模型 © 2024 AAAS

图3  稳定Al₂O₃(0001)终端与实验AFM匹配 © 2024 AAAS

三、【科学启迪】

综上，本研究通过nc-AFM和DFT结合计算建模，成功解析了α-Al₂O₃(0001)表面上复杂的重构，揭示了重构的深层机制，提供了对绝缘体表面结构的新理解。与传统金属化观点相反，本研究发现α-Al₂O₃(0001)重构层实际上接近化学计量，且重构过程通过表面Al与次表面氧原子再混合成键，从而大幅降低了表面能量。这一发现不仅纠正了对表面金属化的误解，还揭示了铝氧化物表面稳定性的根本原因。总之，它展示了nc-AFM在解析宽带隙绝缘体表面结构方面的强大潜力，并强调了理论与实验结合在揭示复杂材料行为中的重要性。这一成果为理解和优化广泛应用的绝缘材料提供了新的思路，并为未来材料科学的研究开辟了新的方向。

原文详情：Stoichiometric reconstruction of the Al₂O₃(0001) surface (Science 2024, 385, 1241-1244)

本文由赛恩斯供稿。