你听说过旋转晶格吗？

材料牛注： 单晶可以在玻璃上生长而不熔化玻璃吗？Lehigh大学的科学家与劳伦斯伯克利国家实验室合作，已经制作出了具有旋转晶格的单晶。

Lehigh大学的科学家与劳伦斯伯克利国家实验室合作，通过使用激光加热技术完成了他们命名为新型结晶固体的制造。该技术诱导原子组织成旋转晶格而不影响固体的宏观形状 。

通过控制晶格的旋转，研究人员说，他们将能够制造一种新型的合成单晶和“生物启发”材料，模拟特殊生物矿物的结构及其优异的电子和光学性能。

该团队11月3日在Nature Reports（一家Nature的子刊）上发表了一篇题为“Rotating lattice single crystal architecture on the surface of glass”的文章。该论文的主要作者是Lehigh大学的材料科学和工程系的研究科学家Dmytro Savytskii。

其他作者还有Lehigh大学的物理系的荣誉教授和主席Volkmar Dierolf；工程与应用科学T.L.钻石杰出主席以及Lehigh大学的材料科学与工程教授Himanshu Jain；加州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的Nobumichi Tamura。

旋转晶格单晶（RLS）晶体的生长遵循Scientific Reports 中3月报道的发现，其中Lehigh大学研究组第一次证明单晶可以从玻璃生长而不熔化玻璃。

在典型的结晶固体中，原子在晶格中规则重复或呈周期性三维结构排列。 从左到右，从上到下，从前到后任何角度都能看到晶体特定的周期性排列。相比之下，玻璃则具有无序原子结构的无定形材料。

因为它们在互连晶体之间没有晶粒边界，所以单晶材料通常具有优异的机械，光学和电学性质。单晶结构使钻石有很高的亮度，也使喷射涡轮叶片具有对机械力的抵抗力。并且制造硅芯片的硅单晶赋予其作为微电子学基础的优良导电性能。

Jain和Dierolf说，旋转晶格单晶中的周期性或重复模式，不同于典型单晶中的周期性。

Jain说：“我们发现，当我们从玻璃中生长出水晶时，周期性并不一样。在一个方向上，它看起来很完美，但是如果你转过格子，从不同的角度看它，你就会看到整个结构是旋转的。”

Dierolf说：“在典型的单晶材料中，一旦知道模式如何重复并知道一个原子的精确位置，就可以预测每个原子的精确位置。因为单晶具有长程有序的特点。

“但是，当我们用玻璃生长RLS晶体时，我们发现周期性并不相同。为了预测每个原子的位置，不仅要知道某个原子的精确位置，还需呀知道晶格旋转的角度。

“因此，我们必须稍微修改单晶的教科书定义。”如Jain所述，旋转以原子尺度发生，并且不影响玻璃材料的形状。 “只有原子链发生弯曲，而不是整个材料，我们可以用X射线衍射看到晶格的的弯曲。

为了实现这种旋转，研究人员用激光器加热固体玻璃材料的表面非常小的一部分，这使得原子变得更灵活。

“原子想要排成直线，但周围的玻璃不允许这样。”Jain说，“相反，作为固体的玻璃迫使原子的构型弯曲，原子移动并尝试组织成晶格。理想情况下会形成完美的单晶，但玻璃阻止完全晶体形成并迫使原子排列成旋转晶格。在微米尺度上旋转平滑地发生。

“我们的激光让晶体的生长产生一定程度的不对称性。我们控制加热源的不对称性，将这种旋转模式施加到原子上。”该团队控制加热量的能力对旋转晶格的形成至关重要，Jain说。

“旋转原子晶格创建的关键是它形成时不会熔化玻璃。熔化会给原子运动太多自由，不能控制晶格的组织。”

“我们加热玻璃的方法克服了这一点，我们只加热玻璃表面，而不是内部加热。这是非常精确、非常局部的加热，它只引起原子的有限运动，它允许我们控制原子晶格的弯曲。”

Jain和Dierolf说，在海洋中的某些生物矿物中也曾观察到旋转晶格；它也可能在一些天然矿物中以非常小的规模发生，如球晶。

“但是此前没有人以一种可控的方式在更大的规模上做到这一点，而我们已经利用不对称的激光实现了这一点。”Jain说。

“科学家以前不能理解这种现象，因为他们不能在足够大的规模上观察到它。我们是第一个使用激光在有效无限维度上诱导这种现象发生的人。”Jain和Dierolf及其团队正在计划进一步研究以提高其操纵原子排序的能力。

研究人员在Lehigh大学对玻璃进行激光加热，并在劳伦斯伯克利国家实验室的同步加速器上用微x射线衍射对玻璃进行表征。他们计划用Lehigh大学的电子显微镜并在伯克利进行进一步的表征。

该项目由美国能源部资助了六年。“这是一种制作单晶的新方法。”Dierolf说，“它通过创造具有独特、新颖属性的材料打开了一个新的领域。”

原文链接: Scientists fabricate a new class of crystalline solid

文献链接：Rotating lattice single crystal architecture on the surface of glass

本文由编辑部杨超供稿，时冰遥翻译，点我加入材料人编辑部

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