重磅！Science: 科學家首次揭示金屬鋰基態真實結構 澄清70年錯誤認識！

【引言】

零壓力和溫度下，元素的晶體結構是凝聚態物理學中最基本的信息。鋰是周期表中最輕的金屬，在過去70年中鋰的最低能量晶體結構一直被認為是相對復雜的9R結構，然而最新研究指出這個認識是錯誤的！

【成果簡介】

近日，美國猶他大學Shanti Deemyad課題組在Science上發表了題為“Quantum and isotope effects in lithium metal” 的文章。研究人員通過使用同步輻射X射線衍射及密度泛函理論與分子動力學相結合的多尺度模擬，證明了過去廣泛認可的馬氏體基態為亞穩態，真實的基態為面心立方（FCC）。在相似的熱路徑下，鋰的同位素在馬氏體轉變溫度下表現出相當大的差異。作為結構由量子效應主導的氦和質量較高元素之間的金屬中間體，鋰展現出了核量子力學效應。

【圖文導讀】

圖1沿著識別的P-T路徑測量觀察到的⁶Li和⁷Li的穩定和亞穩態晶體結構

（A）⁶Li的等效結果；

（B）⁷Li的等效結果；

（C）P-T空間中⁶Li的實驗路徑，用于檢查減壓期間反向fcc→9R變換的可能性；

（D）與9R穩定區域中fcc結構相同的P-T空間中7Li的實驗路徑；

圖2 ⁶Li在不同壓力和溫度下的同步輻射X射線衍射圖

（A）來自三個不同冷卻路徑（圖S6中的點1→4，8→10和11→13）的6Li的選定衍射圖；

（B）冷卻至基礎溫度時，⁶Li的衍射圖案，17K，等溫減壓至0.5GPa（圖S6中的點18→22）。

圖3 鋰的相變作為壓力和溫度的函數

（A）在零壓力（16,18,21,29,37）冷卻和升溫時，⁷Li的bcc，fcc和馬氏體（9R和無序）多型體的實驗觀察；

（B）計算bcc和fcc之間的熱力學相邊界，以及亞穩態bcc-hcp和bcc-9R邊界。

圖4 鋰的結構

（A）來自MD模擬的馬氏體中的復雜的非9R堆疊序列，沿著來自初始bcc晶體的[111]bcc體對角線觀察；

（B）fcc，hcp，9R和bcc之間的關系。

圖5 鋰的模擬衍射圖

在T<20K時⁷Li和零壓力（38）的中子衍射數據（波長λ=1.288?）與來自（上至下）各種鋰的各種候選相的模擬衍射圖案，緊密堆積層的隨機序列。

圖6 ⁶Li和⁷Li的狀態方程式

⁶Li和⁷Li在低溫下的fcc相的原子體積繪制為壓力的函數，顯示出實驗和理論的一致性。

文獻鏈接： Quantum and isotope effects in lithium metal（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal4886）

本文由材料人編輯部納米材料學術組堅毅供稿，材料牛編輯整理。歡迎加入材料人編輯部納米材料學術交流群（228686798）！

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！