研究人员解决了氧化铝表面结构的长期谜团
氧化铝 (Al 2 O 3 )，也称为矾土、刚玉、蓝宝石或红宝石，是最好的绝缘体之一，用途广泛：可用于电子元件、作为催化剂的支撑材料或作为耐化学腐蚀陶瓷等等。了解表面原子的精确排列是理解这种材料中化学反应（如催化过程）如何发生的关键。材料内部的原子遵循固定的排列，形成晶体的特征形状。
然而，氧化铝表面的结构与晶体内部的结构有所不同。氧化铝的强绝缘性阻碍了实验研究，半个多世纪以来，其表面结构一直无法精确测定。维也纳技术大学和维也纳大学的研究人员现在已经解决了 Al 2 O 3表面的复杂结构，这一难题在 1997 年被列为“表面科学三大谜团”之一。
Jan Balajka 和 Ulrike Diebold 领导的研究小组在《科学》杂志上发表了其研究成果。
高分辨率显微镜识别表面原子
研究团队使用非接触式原子力显微镜(ncAFM) 分析表面结构。该方法通过扫描安装在石英音叉上的尖锐尖端来生成表面结构的图像，该尖端距离表面很近。当尖端与表面原子相互作用而不接触材料时，音叉的频率会发生变化。
利用非接触式原子力显微镜和计算建模确定了氧化铝表面的结构。图片来源：维也纳技术大学
执行实验的 Johanna Hütner 解释说：“在 ncAFM 图像中，人们可以看到原子的位置，但看不到它们的化学性质。我们通过精确控制尖端克服了化学敏感性不足的问题。将单个氧原子附着到尖端顶端使我们能够区分表面上的氧原子和铝原子。
“尖端的氧原子受到表面上其他氧原子的排斥，并被 Al 2 O 3表面的铝原子吸引。绘制局部排斥或吸引力使我们能够直接看到每个表面原子的化学特性。”
重组可稳定表面而不改变其成分
研究人员发现，表面重新排列使得表面的铝原子能够渗透到材料内部，并与深层氧原子形成化学键。前两个原子层的重新排列显著降低了能量，从而有效地稳定了结构。与之前的看法相反，铝原子与氧原子的数值比保持不变。
利用机器学习方法优化了氧化铝表面的三维模型。主要的挑战是将重构的表面与底层晶体相匹配。
“结构非常复杂，因此表面下实验无法接触的原子的排列方式存在大量的可能性。最先进的机器学习算法与传统计算方法相结合，使我们能够检验众多可能性，并创建稳定的氧化铝表面三维模型，”进行计算建模的 Andrea Conti 表示。
“通过实验和计算研究的共同努力，我们不仅通过确定这种神秘绝缘体的详细结构解决了一个长期存在的谜团，而且还发现了适用于整个材料类别的结构设计原理。我们的研究成果为催化、材料科学和其他领域的进步铺平了道路，”领导这项研究的 Jan Balajka 说。
页:
[1]