啥?六角形的食鹽晶體?對(duì),您沒聽錯(cuò),就是你所熟知的那個(gè)氯化鈉NaCl)。相信在很多人的印象中,食鹽晶體是立方鹽結(jié)構(gòu)。確實(shí),小編曾經(jīng)在掃描電子顯微鏡下觀察過食鹽晶體的結(jié)構(gòu),的的確確就是立方體形狀。那么,為什么會(huì)有六邊形的食鹽晶體呢?它又有什么應(yīng)用前景呢?

科學(xué)大發(fā)現(xiàn):世界上首例六角形氯化鈉 | 應(yīng)用前景廣闊

一、研究猜想

2020年4月24日,來自俄羅斯斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)研究所(Skoltech)的研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)新開發(fā)的進(jìn)化算法USPEX進(jìn)行理論預(yù)測,并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了(110)金剛石表面上存在奇異的六角形NaCl薄膜。這種六角形NaCl薄膜可用作電動(dòng)車輛和電信設(shè)備中場效應(yīng)晶體管的柵極電介質(zhì),未來具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以“Exotic Two-Dimensional Structure: The First Case of Hexagonal NaCl”為題,發(fā)表在J. Phys. Chem. Lett.上。

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“最初,我們決定只對(duì)在不同基板上形成新的二維結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算研究,研究的出發(fā)點(diǎn)基于以下假設(shè):如果基板與NaCl薄膜發(fā)生強(qiáng)烈相互作用,則可以預(yù)期薄膜結(jié)構(gòu)的重大變化?!痹撜撐牡牡谝蛔髡逰seniya Tikhomirova說?!暗拇_,我們獲得了非常有趣的結(jié)果。計(jì)算結(jié)果顯示并預(yù)測,在金剛石基底上可以形成六角形NaCl膜。因此我和同事們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。果然成功地合成了這種六角形NaCl,證明了我們的理論,

二、理論模擬

首先,Tikhomirova和她的同事們采用新開發(fā)的進(jìn)化算法USPEX,因?yàn)檫@種算法僅根據(jù)所涉及的化學(xué)元素便可以預(yù)測具有最低能量的結(jié)構(gòu)。研究人員分別在Cu(100),Cu(111),Cu(311),Ag(111), Ag(100)以及金剛石(100)、(110)和(100)面上,模擬2D NaCl結(jié)構(gòu)的形成。不出所料,二維NaCl和金屬表面之間的單位表面積結(jié)合能非常?。ㄒ妶D1),這意味著它們之間的相互作用可忽略不計(jì)。也就是說,NaCl薄膜的結(jié)構(gòu)實(shí)際上與襯底的金屬類型或晶體學(xué)取向無關(guān)。此外,金剛石表面的結(jié)合能比金屬基底的表面結(jié)合能大30倍,且(100)晶面的結(jié)合能最低,為-0.40 eV/?2。因此,與金屬襯底相比,金剛石基底上制造2D結(jié)構(gòu)的可能性更高,因?yàn)榻饘僖r底與NaCl的結(jié)合能低。這種牢固的結(jié)合可能導(dǎo)致形成異乎尋常的NaCl薄膜。

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圖1. 不同基底與單層和雙層立方NaCl薄膜之間的單位表面積結(jié)合能

 

隨后,研究人員使用逐層模擬的方法進(jìn)行優(yōu)化。即在對(duì)第一層模擬后,進(jìn)行優(yōu)化以找到熱力學(xué)穩(wěn)定的各項(xiàng)參數(shù),然后再前一層的頂部進(jìn)行第二層的模擬,然后與第一層一起繼續(xù)優(yōu)化,如此反復(fù),直到在金剛石表面形成3-4層。模擬結(jié)構(gòu)顯示,在金剛石(100)表面形成的單層NaCl薄膜是具有扭曲的四方結(jié)構(gòu)的2D晶體(圖2a),其晶格參數(shù)為a = 10.02?和b = 5.03?。而在(111)晶面上沉積的薄膜顯示出不平坦的第一NaCl層,與其他已知的NaCl結(jié)構(gòu)沒有任何相似之處(圖2b)。值得注意的是,在金剛石(110)表面上形成了具有正交六方對(duì)稱的偽六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)的NaCl薄膜(圖2c)。所獲得的偽六邊形結(jié)構(gòu)與居里原理對(duì)二維材料的擴(kuò)展相一致,即所形成的薄膜的對(duì)稱性不高于基底的對(duì)稱性。

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圖2. 在具有(100),(110)和(111)表面的單晶金剛石基底上形成的單層和雙層NaCl膜的晶體結(jié)構(gòu)

 

三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在預(yù)測六角形的NaCl薄膜(h-NaCl)后,研究人員在多晶金剛石基底和具有(100),(110)和(111)表面的金剛石基板上沉積了NaCl薄膜,并采用TEM和XRD來確定晶格的類型。XRD結(jié)果顯示,具有(110)晶面的金剛石基底表現(xiàn)出一個(gè)強(qiáng)烈的(002)峰,證實(shí)在金剛石基底上存在新的h-NaCl結(jié)構(gòu)(圖3b)。觀察到的h-NaCl薄膜的平均厚度約為6 nm。隨著NaCl膜厚度的增加,六邊形(對(duì)于NaCl表面穩(wěn)定)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎浇Y(jié)構(gòu),這是我們所知道的食鹽的典型特征。之所以能形成h-NaCl薄膜,是因?yàn)镹aCl與金剛石(110)基底具有牢固的結(jié)合力,從而允許形成六角形NaCl層。

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圖3. (a)具有不同晶粒尺寸的金剛石,c-NaCl和h-NaCl多晶的SEAD圖樣,(b)具有(100),(110)和(111)表面的金剛石基板上沉積的NaCl薄膜的XRD衍射花樣。

 

此外,由于六角形NaCl與金剛石基底的牢固結(jié)合以及較寬的帶隙,因此可以很好地用作金剛石場效應(yīng)晶體管/FET的柵極電介質(zhì),在電動(dòng)汽車、雷達(dá)和電信設(shè)備中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。FET當(dāng)前依賴于六方氮化硼,但是六方NaCl可能會(huì)進(jìn)一步提高FET的穩(wěn)定性,并使它們適合更廣泛的用途。

四、小結(jié)

總之,研究人員通過最新的全局優(yōu)化理論技術(shù)成功預(yù)測了在具有(110)晶面的金剛石基底上可以形成新的六方NaCl薄膜(h-NaCl),并通過SAED和XRD表征完全證實(shí)了理論預(yù)測。研究結(jié)果表明,在(110)金剛石基底上形成了奇異的h-NaCl薄膜,而在(100)金剛石基底上則形成了畸變的立方NaCl薄膜。降低的尺寸會(huì)導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)構(gòu),并且與底物的牢固結(jié)合使二維相穩(wěn)定化,其中許多在結(jié)構(gòu)和化學(xué)上都非常不尋常,即使對(duì)于像NaCl這樣簡單的系統(tǒng)也是如此。這項(xiàng)工作再次證明了進(jìn)化算法USPEX用于結(jié)構(gòu)預(yù)測的可靠性,該算法是預(yù)測2D材料新穎結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大工具。

小編認(rèn)為:這項(xiàng)工作的價(jià)值不僅僅在首次報(bào)道第一例六角形NaCl薄膜,而是啟發(fā)我們?nèi)绾螐睦碚摮霭l(fā)用其他種類的化合物形成異乎尋常的結(jié)構(gòu),發(fā)掘他們令人驚訝的潛在特性。

Skoltech的高級(jí)研究科學(xué)家Alexander Kvashnin表示:“我們的結(jié)果表明,這種看似經(jīng)過充分研究的簡單而通用的化合物隱藏了許多有趣的現(xiàn)象,尤其是在納米尺度上。二維材料領(lǐng)域還很年輕,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的具有引人注目的特性的材料,只是冰山一角?!?/p>

參考文獻(xiàn):

Exotic Two-Dimensional Structure: The First Case of Hexagonal NaCl. J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 3821?3827. DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c00874

原文鏈接:

https://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c00874

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