中科院金屬所：發現室溫穩定BCC金結構，金屬鍵合新認知！

在常溫常壓條件下，元素周期表中的大多數金屬元素會形成相對致密、熱力學更穩定的體心立方（BCC）、面心立方（FCC）和密排六方（HCP）三種晶體結構之一 [1]。對于純金屬而言，通過調整溫度場或應力應變場，可能使部分族元素形成上述三種不同結構，甚至其他衍生結構。舉例來說，通過常壓溫度調節可以使鈦族元素（鈦Ti、鋯 Zr 和鉿 Hf）形成上述三種結構，當施壓超過2 GPa時，Ti和Hf還會形成ω相，一種BCC結構的畸變衍生相。相比之下，銅族元素（銅 Cu、銀 Ag 和金 Au）在常壓下僅呈現FCC結構，即使溫度升高至其各自的熔點也不會發生結構轉變，在室溫下，緩慢加壓數百 GPa仍具有高度穩定性。

近年，在壓力介于225至298 GPa之間的沖擊波壓縮實驗中，首次通過原位X射線衍射（XRD）檢測到BCC金[1]。此外，當對金納米晶體施加拉伸力時，在晶體頸縮過程中或斷裂后也觀察到了局部的BCC結構[2,3]。除了BCC金之外，在銀絲的彎曲過程中，為了適應壓縮區域的應變，也在FCC-BCC-HCP-FCC相變路徑中觀察到了銀的BCC瞬態結構[5]。值得注意的是，電場也對bcc結構轉變產生影響，文獻4介紹了在電子輻照過程中，FCC結構的金薄膜中形成了納米尺度的BCC金結構，但在進一步輻照后轉變為非晶態。

中國科學院金屬研究所李閣平研究員課題組首次成功合成了氟離子摻雜、沿[001]方向生長的Zr(OH)2(NO3)2·5H2O鋯氫氧化物硝酸鹽微納米管，通過物理濺射沉積法在微納米管表面制備出分散排列的金納米顆粒，光照下產生較強的表面等離子體，通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察金納米顆粒發現，在200keV電子輻照下，非晶金和部分FCC金轉變為BCC金，且在持續輻照下穩定存在。BCC金結構由高分辨TEM圖像分析，DFT計算和高分辨TEM圖像模擬綜合確定。

另外，從非晶金中形成的BCC金與FCC金形成了熱力學更穩定的{1 1 0}BCC Au ‖{1 0 0}FCC Au共格界面。X射線光電子能譜(XPS)分析發現，微納米管表面的金納米顆粒內部發現了電子自轉移，形成了正一價和負一價金。DFT計算表明微納米管表面負離子與金納米顆粒接觸，該界面電場誘發了上述電子自轉移。該課題組提出，這種電子轉移提高了金原子的電子云密度，電子云與金離子核的庫倫吸引作用更強，增強了金屬鍵合強度，具有相對更小晶面間距的BCC金表現出更高的熱力學穩定性。

本質上，BCC金周期結構的第一布里淵區內費米球可以容納更高密度的電子態，因此，BCC金是帶負電荷金的晶體結構選擇。在電子輻照過程中，電子束的電子與金納米顆粒中金原子發生散射，轉移部分動量給金原子，使其可以發生晶格位移和擴散，誘發相變。正空間FCC-BCC轉變，導致費米面fcc-bcc轉變，由此引起能帶對稱的取向，電子云密度的變化，將對銅族元素與半導體接觸的電子行為產生結構性影響。通過異質結構設計和界面電荷調控可以穩定非本征晶體結構，拓寬了金屬元素在室溫的結構選擇，為金屬納米材料的結構調控和性能探索與優化提供了新的思路，為金屬鍵合理論提供了全新認識。

該研究第一作者顧恒飛博士，于2015年碩士畢業于中國科學院金屬研究所，2022年于美國羅格斯大學化學與生物化學系取得博士學位，現為普林斯頓大學博士后，并于2025年獲提名為美國Sigma Xi科學研究榮譽學會的正式會員。該研究通訊作者為李閣平研究員。相關研究結果以題為“Increasing atomic electron cloud density enabled by heterostructure interfacial charge transfer leads to formation of body centered cubic (BCC) gold at room temperature”發表于Applied Surface Science。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.165061

文獻：

[1] R. Briggs et al. Phys. Rev. Lett., 123 (2019), 045701.

[2] H. Zheng et al. Nat. Commun., 1 (2010), p. 144.

[3] A. Nie, H. Wang. Mater. Lett., 65 (2011), pp. 3380-3383.

[4]S.B. Lee et al. Acta Mater., 247 (2023), 118759.

[5] S. Sun et al. Phys. Rev. Lett., 128 (2022), 015701.

圖1, Zr(OH)2(NO3)2·5H2O鋯氫氧化物硝酸鹽微納米管的表征。

圖2, Zr(OH)2(NO3)2·5H2O鋯氫氧化物硝酸鹽微納米管表面金納米顆粒的電子自轉移。

圖3, 200KeV電子輻照下金納米顆粒內BCC金的形成。

圖4, BCC金的形成機制。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。