Nat. commun: 六方和立方氧化物之間的界面及其結構轉變

【引言】

近年來，為了制造多功能電子器件，研究人員對具有不同對稱結構的兩種材料的界面結構展開了大量的研究。但是，生長方向與生長條件息息相關，因而引出來一系列亟待研究的問題。值得注意的是，實驗發現當ZnO中心對稱性破壞后，由于襯底耦合平面取向的改變使得器件性能得到改善。這種效應類似于同種催化劑不同的平面具有不同的催化活性。此外，制備高質量的薄膜以改善光電子器件的性能也十分重要。因此，設計不同的耦合平面以改善器件性能成為ZnO研究中的一大熱點。然而，要想通過ZnO與其他材料的合成來制造新型器件，必須要了解不同界面之間的生長取向和微觀結構。然而，目前還缺乏足夠的研究來揭示不同生長方向界面微觀結構的特征，相關機制的討論更是欠缺。

【成果簡介】

近日，美國布魯克海文國家實驗室朱溢眉教授、廈門大學王惠瓊教授和鄭金成教授（共同通訊作者）等人在Nat. Commun上發表了一篇名為“Interfaces between hexagonal and cubic oxides and their structure alternatives”的文章。功能材料的多層結構通常是不同結晶相的組合，由于面內結構對稱性存在多種不兼容的狀況，所以薄膜的生長取向經常發生轉變。不過，轉變的具體機制并未得到合理的解釋。該研究利用先進的掃描透射電子顯微鏡，X射線衍射和第一性原理計算，對在立方（001）-氧化鎂（MgO）襯底上異質外延生長的六方氧化鋅（ZnO）薄膜進行了深入探究，揭示了（001）ZnO /（001）MgO和（100）ZnO /（001）MgO兩種主要的界面模型。該研究發現可以通過控制形核時的熱力學對膜層的結構進行選擇，而動力學上則是在相變過程中通過增強Zn吸附和氧的擴散來實現結構的選擇。這項工作不僅為具有不同結晶相界面的制造提供了指導，而且還闡述了極性和非極性六方ZnO膜在同一立方體基底上制備的過程。

【圖文導讀】

圖1. 氧化鋅的生長方向

通過生長溫度和氧氣分壓來控制生長取向的變化

圖2. c-ZnO的取向關系

a）極性膜c-ZnO-I區域的橫截面掃描透射電子顯微鏡（STEM）下的高角度環形暗場（HAADF）圖像，標尺為2nm

b）極性膜c-ZnO-II區域的橫截面掃描透射電子顯微鏡（STEM）下的高角度環形暗場（HAADF）圖像，標尺為2nm

c）根據STEM圖像，沿著[100]方向c-ZnO-I的界面投影（上圖）和沿著[-1-20]方向c-ZnO-II的界面投影（下圖）

d）c中棕色矩形包含區域的頂視圖

圖3. c-ZnO和m-ZnO的取向關系

a）c-ZnO膜的X射線衍射（XRD）?掃描

b）c-ZnO膜的電子衍射圖（EDP）

c）m-ZnO膜的XRD ?掃描圖像

d）m-ZnO膜的[011]區的EDP

圖4. m-ZnO的取向關系

a）m-平面薄膜m-ZnO-I區域的掃描透射電子顯微鏡(STEM) 的高角度環形暗場（HAADF）圖像，標尺為2nm

b）m-平面薄膜m-ZnO-II區域的掃描透射電子顯微鏡(STEM) 的高角度環形暗場（HAADF）圖像，標尺為2nm

c）從STEM圖像中得到沿著[011] 方向m-ZnO-I（上圖）和沿著[08-3]方向m-ZnO-II（下圖）的界面投影

d）c中棕色矩形包含區域的頂視圖

【結論】

作者研究了生長取向轉變的機制，這種轉變受生長溫度和壓力的共同調控，類似于水蒸發的相變。通過XRD，EDP和STEM以及基于DFT的第一性原理計算充分表征了c-ZnO / MgO和m-ZnO / MgO的界面結構，揭示了c-ZnO薄膜的兩個旋轉域和m-ZnO薄膜的四個旋轉域及其界面穩定性。此外，還從熱力學和動力學兩個角度探究了控制生長取向的機制。在熱力學上，具有較大接觸角（例如≥11°）的c-ZnO的形核勢壘低于具有較小接觸角（例如≤4°）的m-ZnO的形核勢壘。在動力學上，在生長溫度較低或氧氣壓力較大，基體上只有少量Zn原子吸附、少量O原子擴散的情況下，成核途徑遵循有接觸角、O終止于界面處的三維模型，導致沿著c面方向的生長。相反，在較高的生長溫度下，Zn原子吸附和O原子擴散都增強，促使成核模型從三維模型向準二維模型轉變，導致了沿m平面方向的生長。熱力學和動力學機制解釋了由生長溫度和壓力引起的生長方向轉變。此次研究不僅提供了立方和纖鋅礦相之間界面耦合的清晰圖像，而且提出了合理的理論模型來解釋生長方向轉變的現象。

【文獻信息】

文獻鏈接：Interfaces between hexagonal and cubic oxides and their structure alternatives（Nature Communications，2017，DOI: 10.1038/s41467-017-01655-5）

本文由材料人編輯部金屬材料學術組Nancy整理編譯，點我加入材料人編輯部。

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