低溫下金屬氧化物的驚人結構變化有助于揭開存在60年之久的謎團

來自美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室、阿拉巴馬大學和加州大學洛杉磯分校的科學家們在一種此類材料被冷卻到其MIT溫度以下時發生的結構變化方面有了驚人的發現。這種材料是二氧化釩，研究小組在其中加入了不同數量的另一種元素，鉬。

阿貢材料科學部的高級物理學家Ray Osborn說：“我們的結果表明，在低于MIT溫度的樣品中形成了微小的結構扭曲。這些變形是二維的形狀，即有長度和寬度但基本上沒有厚度的平面。然而，平均而言，樣品的整體三維結構保持不變。”

純二氧化釩中的MIT現象在1959年首次被報道。它是少數幾種在接近室溫時發生這種轉變的材料之一，這對實際應用來說是非常可取的。在發現60年后，這種轉變背后的機制仍然是一個謎。該團隊試圖通過在結構中加入鉬來更好地理解二氧化釩的物理學。

阿拉巴馬大學副教授Jared Allred說：“作為一名化學家，我有興趣了解通過添加鉬等元素對二氧化釩進行化學改性對MIT的影響。”

隨著研究小組在二氧化釩中加入越來越多的鉬，他們數據中顯示MIT的信號變得越來越不明顯，直到它幾乎消失。這一點發生在19%的釩原子被鉬取代時。伴隨著MIT信號的下降，其發生的溫度也在下降。對于純二氧化釩來說，這個溫度已經接近室溫，而對于含有19%鉬的樣品來說，這個溫度下降到了零下190華氏度。

阿拉巴馬大學的研究員Matthew Davenport為這項研究準備了這些樣品。研究小組在阿貢國家實驗室高級光子源（APS）的6-ID-D光束線上使用X射線散射對樣品的原子結構進行了描述，APS是美國能源部科學辦公室的一個用戶設施。該團隊在很大的溫度范圍內進行了這種分析，從接近絕對零度到遠遠高于室溫。

Osborn說：“我們在APS使用的方法使我們能夠收集大量的數據，并將結果轉換為納米級原子結構的詳細三維模型。該團隊以每秒10張圖片的速度為每個樣品拍攝了幾十萬張圖片。對于含19%鉬的樣品，在約零下240華氏度的圖像中出現了意想不到的棒狀物，遠遠低于MIT的溫度。”

Allred說：“這些棒狀物表明，在這種材料的微觀區域的三維秩序崩潰后出現了新的二維結構。盡管微區域發生了這些變化，但該材料的整體三維結構仍保持不變。在進一步的研究中，該團隊還發現這些二維結構并不是完全平坦的。”

Osborn描述了團隊成員第一次看到X射線散射結果時大開眼界的時刻。他說：“我們大吃一驚。我們在X射線散射結果中看到了一個不應該存在的現象：棒子是波浪形的--這是我們以前從未見過的。波浪形被證明是一個跡象，表明這些薄片事實上并不是完美的二維平面。”

為了更好地理解這些結果背后的機制，該團隊在X射線散射中使用了一種相對較新的技術進行數據分析，被稱為3D-差分對分布函數分析。這種方法使研究小組能夠在原子尺度上直接查看結構，正好顯示了當低于MIT溫度時，原子如何扭曲材料中的二維平面。

“我們并沒有解決最初的問題--關于二氧化釩的MIT機制的問題，”Allred承認。然而，在探究可能的解釋時，這項工作應該導致一個更完整的MIT物理模型，而這種理解可能有助于實現這種材料在溫度敏感設備和節能系統中的商業潛力。