近日,东北大学材料学院在解析凝聚态物质结构方向取得重要进展,相关研究成果以“Two-Dimensional FrankKasper Z Phase with One Unit-Cell Thickness”为题发表在Nano Letters(Nano Lett. 2021, 21, 7198-7205)。该研究利用我校球差校正的STEM技术发现了一类仅具有一个晶胞厚度的二维Frank-Kasper Z相,并结合第一性原理计算揭示了从简单六方晶体到复杂拓扑密堆Z结构的相变机理。

据悉,拓扑密堆的FrankKasper相广泛存在于金属材料和软物质中,不仅对常规结构材料的力学性能具有重要影响,而且是储氢、超导等功能材料的基元。同时,研究FrankKasper相的拓扑密堆结构又是认知凝聚态物质中原子堆垛行为的国际前沿方向,它们是联系简单晶体(如典型的fccbcchcp结构)与准晶的纽带。

目前,相关学者已在实验中发现了28种类型、超过上万个的FrankKasper相,这些结构复杂多变的FrankKasper相通常由3个基本结构(A15C15Z相)组成。其中,Z结构是最重要的基本单元,它与C15结构单元组装可以形成五角FrankKasper相(图1红色),而与A15结构单元结合则能生成六角FrankKasper相(图1蓝色)。1给出了实验已发现的28Frank-Kasper相平均配位数值(CN值)与其CN = 15体积分数的关系示意图。

相比于常见的、大量的C15A15结构,Z相由于组分之间的体积不对称比值较大,实验中很少观察到它的存在。迄今为止,在Zr-Al合金与软物质中发现的两种Z相都是有序的三维吉布斯体相。而Z相作为FrankKasper最基本、也是最重要的结构拼图基本单元,阐明其形成机制,尤其是从简单晶体到复杂拓扑密堆结构的相变路径,将为人们理解复杂FrankKasper相,甚至是准晶的形核与生长机理提供新的思路。

1Frank-Kasper相的平均配位数值(CN值)与其CN = 15体积分数的关系示意图。实验已发现的28种类型Frank-Kasper相都位于一个三角形中,而C15A15Z3个基体结构单元则位于三角形的3个顶点。

本工作解析了Mg-4Sm-2Zn合金中时效析出的二维亚稳Frank-Kasper Z相。图2Mg-4Sm-2Zn合金200℃时效48小时后的HAADF-STEM图像,清晰地表明这些嵌入在{0001}α基面、仅具有一个晶胞厚度的盘状析出相为Frank-Kasper Z相。第一性原理计算结果也证实这种由六角形晶格、三角形晶格和kagome晶格组成的Z-Mg2Sm2Zn3相可以通过基体{0001}α密堆面的原子集体位移式变换(shuffling)而形成。

该发现将为更好理解简单晶体中Frank-Kasper相的形成机制和团簇行为提供有价值的指导,并为认识传统晶体与准晶之间的关系提供帮助。更为重要的是,这种稀土元素位于结构中心的笼型化合物,也预示着可能出现新型热电功能材料。

2:(a-fHAADF-STEM图像显示Mg-4Sm-2Zn合金200℃时效48小时后{0001}α基面内层嵌入了大量具有一个晶胞厚度的二维Frank-Kasper Z相,(g)二维Frank-Kasper Z相中Friauf多面体结构示意图

该论文的第一作者为东北大学材料学院青年教师谢红波博士。近年来,谢红波博士在凝聚态物质结构的解析中取得重要进展,先后发现了“类Laves”结构(Phys. Rev. Lett., 120, 085701, 2018)、含有五次对称的纳米畴结构(J. Phys. Chem. Lett., 9, 4373-4378, 2018)和晶界的系列非对称有序偏析(Nano Lett., 21, 2870-2875, 2021)等。该研究得到了国家自然科学基金(基金号: 51525101519710535170121152101129)和辽宁省“兴辽英才计划”创新团队基金(No. XLYC1808038)的支持,研究获得东北大学校测试中心在球差电镜表征方面提供的支持和帮助。