金屬所在非共格界面的結構與物性研究方面取得進展

功能材料界面由于經常表現出不同于體材料的新穎物理、化學現象與性質而備受關注。比如，人們在材料界面上發現了二維電子氣、界面超導、界面發光和界面磁性等。這些有趣的界面現象與性質通常歸因于界面上強烈的物理與化學交互作用，因此它們大多數出現在共格界面和半共格界面上。

從共格界面到半共格界面、再到非共格界面，界面上的晶格失配不斷增大，從而導致了材料界面上存在不同的晶格失配調節機制和界面結構。共格界面的晶格失配小，界面失配由兩相鄰晶格的彈性變形來調節，界面上形成了原子間完美匹配的界面結構；半共格界面的晶格失配適中，通過形成周期性排列的界面失配位錯來補償晶格失配。非共格界面的晶格失配非常大，界面兩側相鄰晶體將保持各自原有的晶格而剛性堆疊在一起，不容易形成界面失配位錯。雖然非共格界面比其他兩類界面更常見，但由于它的晶格匹配度差并且界面鍵合強度弱，導致界面上的交互作用非常弱，因此非共格界面上很少表現出獨特的界面現象與性質，這極大地限制了非共格界面的相關研究與應用。

為了探索非共格界面上的新穎界面現象與物性，中國科學院金屬研究所研究團隊圍繞非共格界面的原子與電子結構及界面交互作用開展了系統地研究工作，發現大晶格失配（~ 12 %）的AlN/Al₂O₃（0001）非共格界面上存在不尋常的強界面交互作用。強烈的界面交互作用顯著調控了AlN/Al₂O₃界面的原子與電子結構及發光特性。透射電鏡顯微結構表征的研究結果表明，在AlN/Al₂O₃非共格界面上形成了界面失配位錯網絡和堆垛層錯，這在其他非共格界面上是很少見的。原子層分辨的價電子能量損失譜表明，AlN/Al₂O₃非共格界面的帶隙降低為~ 3.9 eV，顯著小于AlN和Al₂O₃體材料的帶隙（分別為5.4eV和8.0eV）。第一性原理計算表明，界面上帶隙的減少主要由于在界面處形成了畸變的AlN₃O四面體和AlN₃O₃八面體，從而導致了界面上存在Al-N鍵和Al-O鍵的競爭及鍵長的增大。陰極熒光光譜分析表明，該非共格界面具有界面發光特性，可發射波長為320 nm的紫外光，發光強度比AlN薄膜的本征發光高得多。該研究表明具有大晶格失配的非共格界面可表現出強烈的界面交互作用和獨特的界面性質，深化和拓展了人們關于非共格界面的認識，可為開發基于非共格界面的先進異質結材料和器件提供借鑒與參考。

相關研究工作得到國家杰出青年科學基金、中國科學院前沿研究重點項目和廣東省基礎與應用基礎研究重大項目等的資助。相關研究成果以Interfacial interaction and intense interfacial ultraviolet light emission at an incoherent interface為題于5月15日在《自然-通訊》（Nature Communications）上在線發表。

論文鏈接