氧化铝是什么晶体-氧化铝是原子晶体

晶体内部的原子按照固定序列排列，拥有有序的结构，而晶体表面的结构则与内部有所不同。要深入了解其化学反应和材料理化性质，对表面原子的精确排列进行探究至关重要。氧化铝（Al₂O₃），是刚玉、蓝宝石及红宝石的构成要素，且是一种优秀的高介电常数绝缘体。它在电子元件、催化剂载体材料以及化学耐受性陶瓷等领域均有广泛应用。早期研究表明，当温度超过1000°C时，Al₂O₃表面会经历重组过程。根据氧原子脱离的数量不同，可能会形成单层或双层的金属铝层，表现出多种不同的堆叠结构。

近期，维也纳工业大学的Jan Balajka课题组在《Science》杂志上发表了研究成果。他们结合了非接触式原子力显微镜（nc-AFM）与密度泛函理论（DFT）计算方法，揭示了氧化铝(0001)表面的详细结构。

该研究不仅确定了原子的具置，还发现铝原子与次表层的氧原子之间形成了化学键，这极大地增强了表面的稳定性。为了更深入地了解表面结构，研究者首先对α-Al₂O₃(0001)样品进行了1000°C的退火处理，目的是去除表面污染物并确保表面铝原子发生重构。

通过DFT计算，研究者构建了Al₂O₃(0001)的三维模型。表层氧原子与中心铝原子形成了方形和三角形的结构单元，呈现出扭曲的六方晶格，Al-Al距离约为3.04 Å。在表层与体相Al₂O₃之间存在一个过渡层，其中每个晶胞内的氧原子和表层铝原子的数量相同（每个晶胞76个），这些氧原子作为指向下方的四面体顶点。该层的氧原子密度低于Al₂O₃的体相。

Jan Balajka教授的研究团队还指出，他们的研究成果不仅揭示了这一神秘绝缘体的表面结构，解决了表面科学的未解之谜，而且发现了一种适用于整个材料体系的新结构设计原理。该研究为催化和材料科学等领域的进一步发展铺平了道路。

阿尔法氧化铝表面的化学计量重建。

Johanna I. Hütner、Andrea Conti、David Kugler、Florian Mittendorfer、Georg Kresse、Michael Schmid、Ulrike Diebold、Jan Balajka。

Science 2024年发表第385期第1241-1244页 DOI: 10.1126/science.adq4744

参考文献

[1] A. Chame等. 表面科学中的三个谜团. 国际现代物理杂志B卷 1997年^abc, 第11期第3657-3671页, DOI号: 10.1142/S01854.