Nature Communications:首次原子级“看见”高熵合金表面化学秩序

导语

近日,一项发表在《自然·通讯》上的研究终于突破了这一难题(https://doi.org/10.1038/s41467-026-71170-z)。由美国怀俄明大学、约翰斯·霍普金斯大学、台湾清华大学等多所机构组成的国际研究团队,首次利用扫描隧道显微镜(STM)直接可视化了高熵合金表面的局部化学有序结构,揭开了这一微观世界的神秘面纱。

核心发现

研究团队选取了最经典的高熵合金------CoCrFeMnNi(钴铬铁锰镍) 作为研究对象。他们就像用一根极细的"探针"去触摸材料表面,通过STM技术,成功在原子尺度上"看见"了材料表面的原子排列。

他们发现了两个惊人的现象:

1.表面存在"准长程有序"结构:原本被认为原子随机排列的合金表面,竟然自发组织成了两种具有特定周期性的超结构,如同在无序的沙地上,出现了精心排列的图案。这两种结构相对于材料本来的晶格,呈现出√5×√5R±26.6°的特定旋转关系。

2.看清了谁是谁:更关键的是,他们借助密度泛函理论(DFT) 计算,成功为STM图像中不同亮度的原子"对号入座",确定了它们分别对应哪种元素。结果显示,在有序的超结构中,铁(Fe)、锰(Mn)、钴(Co)倾向于占据"明亮"的位置,而铬(Cr)和镍(Ni)则占据"暗淡"的位置。

这意味着,虽然合金整体成分是均匀的,但在微观尺度上,不同元素并非完全随机混合,而是形成了有规律、有偏好的排列方式------这就是传说中的表面局部化学有序。

研究意义

这项研究的突破性意义在于:

提供了最直接的证据:过去,科学家主要依靠X射线、中子散射等间接手段推断局部化学有序的存在,结果常常存在争议。这项研究通过STM实现了原子级的直接成像,让争论了多年的问题有了"实锤"。正如一位审稿人所评价的,这是"揭示了高熵合金表面化学有序的清晰图像"。

开辟了研究表面性能的新路径:合金的表面决定了其耐腐蚀、抗氧化和催化等关键性能。既然表面存在有序结构,那么这些结构就很可能直接影响这些性能。这项研究为理解并最终调控这些表面性能,提供了前所未有的微观视角。未来,我们或许可以通过"设计"表面的原子排列,来定制出性能更优的抗腐蚀涂层或高效催化剂。

为STM技术正名:扫描隧道显微镜虽然分辨率极高,但传统上被认为对元素不敏感。这项研究证明了,通过精细的实验和理论计算结合,STM完全可以成为研究复杂合金的有力工具,为高熵合金研究领域打开了一扇新的大门。

结语

这项研究就像为材料科学家们戴上了一副"原子眼镜",让他们得以窥见高熵合金表面那曾经遥不可及的微观秩序。它不仅解答了一个基础科学问题,更为未来设计具有特定表面功能的高熵合金材料铺平了道路。

图1:CoCrFeMnNi表面的低能电子衍射(LEED)、扫描隧道显微镜(STM)形貌图及其快速傅里叶变换图像

图2:QLRO超胞、原子位点的定义及高度分析

图3:晶格局部畸变与准长程有序畴分布

图4:借助DFT计算的分波态密度进行元素指认

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