維也納工業大學Science：顛覆認知，解析重構Al?O?表面！

一、【科學背景】

隨著材料科學和表面物理學的不斷進展，解析絕緣體表面的原子級結構成為了一個重要而挑戰性的任務。尤其是對于寬帶隙絕緣體，由于其電導性差，傳統的基于帶電粒子的實驗技術（如電子顯微鏡）難以適用，這引起了科學界對其表面結構的濃厚關注。以鋁氧化物（α-Al?O?）為例，它不僅在電子學和催化領域有著廣泛應用，而且在自然礦物和氣候研究中的重要性也日益突出。然而，盡管α-Al?O?擁有高介電強度、優良的機械硬度以及極好的光學性質，它的表面結構在高溫條件下會發生復雜的重排，表面晶胞的面積是表面正下方晶體晶胞的31倍，并且也旋轉了9^o。這種改變稱為( × )R±9°表面重構，是復雜氧化物表面的典型示例。早期的研究表明，這種重構可能是由于表面氧原子的脫附形成了金屬鋁層，從而賦予了表面金屬性。

二、【創新成果】

近期，奧地利維也納工業大學應用物理研究所Jan Balajka教授在Science上發表了題為“Stoichiometric reconstruction of the Al₂O₃(0001) surface”的論文，報道了利用原子定義的尖端頂點的非接觸原子力顯微鏡（nc-AFM），首次對α-Al₂O₃(0001)表面進行成像。通過這種方法，研究人員能夠直接觀察到單個O和Al原子的橫向位置，并通過DFT計算建模分析了這些原子如何與下方的晶體體相連接。結果表明，α-Al₂O₃(0001)表面重構并未發生金屬化，實際上保持了化學計量的Al?O?狀態。重構過程中，表面Al原子通過與次表面O原子的再混合，實現了顯著的能量收益，從而穩定了重構結構。

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圖1? nc-AFM解析Al₂O₃(0001)的重構晶面 ? 2024 AAAS

圖2? Al₂O₃(0001)重構表面的結構模型 ? 2024 AAAS

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圖3? 穩定Al₂O₃(0001)終端與實驗AFM匹配 ? 2024 AAAS

三、【科學啟迪】

綜上，本研究通過nc-AFM和DFT結合計算建模，成功解析了α-Al?O?(0001)表面上復雜的重構，揭示了重構的深層機制，提供了對絕緣體表面結構的新理解。與傳統金屬化觀點相反，本研究發現α-Al?O?(0001)重構層實際上接近化學計量，且重構過程通過表面Al與次表面氧原子再混合成鍵，從而大幅降低了表面能量。這一發現不僅糾正了對表面金屬化的誤解，還揭示了鋁氧化物表面穩定性的根本原因。總之，它展示了nc-AFM在解析寬帶隙絕緣體表面結構方面的強大潛力，并強調了理論與實驗結合在揭示復雜材料行為中的重要性。這一成果為理解和優化廣泛應用的絕緣材料提供了新的思路，并為未來材料科學的研究開辟了新的方向。

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

本文由賽恩斯供稿。