Nature Materials：新技術看見立方相的與眾不同

張熙熙

一、 【導讀】?

熱電或雜化鈣鈦礦等具有立方結構的能量材料通常被認為具有高度無序的特征。例如，以GeTe為代表的IV–VI族化合物中，這被認為提供了熱電性能所需的低熱導率。然而，傳統的晶體學研究手段無法區分靜態無序和原子運動。看似結構簡單的GeTe卻擁有意想不到的獨特電子性質，例如，熱電、超快相變，以及鐵電與自旋自由度之間的耦合。這些特性的基礎源自有著微妙相互作用的兩個因素：有利于高對稱立方相（c-GeTe)的共振p電子鍵以及由此所得的半滿能帶結構的Peierls不穩定性。其中，后者傾向于長、短交替的Ge-Te鍵，以及菱方對稱性(r-GeTe)。

在器件應用方面，c-GeTe具有很大的潛力，這主要歸功于其非諧振和高度可極化性。不過，盡管其應用前景頗廣，其相變本質以及原始立方相的結構都存疑，例如，局域結構探針發現其屬于對稱性破缺造成的無序，但光譜和衍射測試則不支持該結論。這種爭議在其他的IV–VI族化合物，鐵電材料以及雜化鈣鈦礦太陽能材料中也時常出現，因此，對于具有高對稱晶體結構的能源材料而言，其結構，漲落與性質之間的關聯是懸而未決的難題。

二、【成果掠影】

最近，由Simon A. J. Kimber（法國勃艮第大學）、Anibal J. Ramirez-Cuesta?（橡樹嶺國家實驗室）、Simon J. L. Billinge（布魯克海文國家實驗室，哥倫比亞大學）等學者領銜的國際聯合團隊開發了一種新型的對分布函數（PDF）測試技術，名為“能量分辨可變快門對分布函數（vsPDF）”。 即通過飛行時間中子譜儀從倒空間和能量的二維數據來產生動態PDFs。這種技術類似于我們在攝影中的模式，通過改變能量積分窗口（0?<?E_max?<?∞）實現快門速度的調控，并且基于開發的主成分分析（PCA）法來分離信號中的彈性與非彈性組分。進而實現了在原子運動的時間尺度上收集不同曝光時間的材料結構快照。

????? ?研究者采用這項最新技術發現，在所有溫度下，GeTe的時間平均結構均為晶態，而非通常認為的無序，但在高溫下具有各向異性的非諧動力學，類似于更快的快門速度下捕捉到的靜態無序，該現象與沿著<100>_c方向的鐵電漲落有關。

相關研究工作以“Dynamic crystallography reveals spontaneous anisotropy in cubic GeTe”為題發表在國際頂級期刊Nature Materials上。

?三、【核心創新點】

√能量分辨可變快門對分布函數（vsPDF）可以解決長久以來困擾材料界的一大難題，即局域和平均結構探測手段經常得到矛盾的結論。

√在所有溫度下，GeTe均為晶態，而非一直以來認為的無序。

四、【數據概覽】

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圖1 GeTe中的局部畸變與x射線PDFs對 R3m和Fm-3m相的擬合 ? 2023 The Author(s)

圖2 c-GeTe在720 K下使用300 meV中子的瞬時和時間平均中子散射結果 ? 2023 The Author(s)

圖3 c-GeTe的TDS和聲子色散計算 ?2023 The Author(s)

圖4 GeTe中實空間動力學的溫度依賴性及應變的出現 ?2023 The

Author(s)

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五、【成果啟示】

材料結構研究中的局域和平均可能是一直以來擺在學術界面前的一道難題，矛盾的實驗結果與解釋頻頻出現，如何彌合它們之間的鴻溝是重要且關鍵的，能量分辨可變快門對分布函數（vsPDF）的誕生將會給相關領域帶來重要的新工具，未來，大量材料結構無序之謎可能會變得越來越清晰。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01483-7