2022年11月7日，中国科学技术大学林岳教授（青促会第10批会员），与洪勋教授及香港城市大学张华教授团队合作在Adv. Mater.在线发表了题为《In situ Observation of Structural Evolution and Phase Engineering of Amorphous Materials during Crystal Nucleation》的研究成果。中科大博士生韩霄、博士后吴耕和香港城市大学博士后葛一瑶为该论文并列第一作者。

晶体的成核在化学、材料科学、凝聚态、物理学、结构生物学和医学等多个研究领域都具有重要意义。成核路径对形成的晶体的相和形貌起着决定性的作用。经典成核路径描述了原子或分子通过单步随机碰撞形成晶核。最近的研究表明，成核过程可能呈现出非经典的多步路径，在最终晶体形成之前会产生中间相。近期，在固相中直接观察非晶到结晶的转变已被用来追踪和建立非经典形核的不同机制。然而，尽管近年来在非晶-结晶转变方面的研究取得了进展，但在原子尺度对转变过程中的中间步骤的探索仍具有挑战性。

本研究以掺杂碳的Ru、Rh和IrCo NSs等超薄非晶金属纳米片(NSs)为起始材料，利用原位原子分辨扫描透射电子显微镜(STEM)研究了非晶相成核的途径。原子水平成像和原位径向分布函数(RDF)的组合表明原子核形成过程中有三个不同的阶段，即原子聚集(阶段I)、结晶形成晶格扩展的纳米晶体(阶段II)和晶格扩展的纳米晶体弛豫形成最终的纳米晶体(阶段III)。

此外，通过以非晶纳米作为前驱体，研究人员还获得了多种非传统晶相材料，包括面心立方(fcc) Ru、六方密堆 (hcp) Rh和一种新型金属间化合物IrCo合金。这些具有亚稳态晶相的材料在成核过程中处于自由能分布图的局部最小值，它比热力学稳定的结晶相具有更高的能量，通常难以通过常规制备方法获得。原则上，如果能克服成核的能垒，并将能量锚定在相应的自由能谷上，就可以获得亚稳晶相材料。然而，这种过程通过常用策略难以精确控制。研究团发现，从具有中间相(如非晶相)的前驱体/起始材料开始成核，通常会改变成核的活化能，从而改变成核途径，从而获得亚稳晶相材料。原位电子能量损失谱(EELS)分析显示，原始非晶态纳米片中的掺杂碳在成核过程中可以迁移到表面，并稳定由非晶态结构转变而来的非常规晶体相，密度泛函理论(DFT)计算也证实了这一点。

这些发现不仅为非晶结构的成核机制提供了深入的认识，而且为非常规的纳米晶体的制备提供了一种有效的策略，进一步丰富了新兴的纳米材料相工程领域。

该研究得到了中国科学院青年创新促进会、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金等项目的资助。

文章链接

图1 非晶C-Ru纳米片中Ru纳米晶成核过程的实时成像

图2成核过程原子结构变化

图3在TEM原位加热下非晶C-IrCo NSs成核过程中形成的金属间化合物IrCo纳米晶