Kvasikrystalklar:Materiale afslører en unik forskydende overfladestruktur under mikroskop

Mellem kemitimerne, ædelstene, og elektronik, ideen om krystaller, det er, stoffer med et ordnet og periodisk arrangement af atomer er ret almindeligt. Men for omkring 40 år siden, en mærkelig partikel blev opdaget af forskere, der endnu ikke er blevet almindelig i vores verden:kvasikrystaller. Det er strukturer med mærkelige atomarrangementer, hvilken, mens den overfladisk ligner krystaller, mangler periodicitet trods bestillingen. På grund af deres strukturer, kvasikrystaller udviser symmetrier forbudt for krystaller og er udstyret med interessante egenskaber, som krystaller ikke kan vise, såsom høj modstand mod varmestrøm, strøm, og korrosion.

Siden deres opdagelse, kvasikrystaller er blevet undersøgt omfattende af materialeforskere over hele verden. På grund af deres sjældenhed, videnskabsmænd har ofte tyet til at studere modeller, der efterligner dem, kaldet tilnærmelser. For nylig, i en klasse af guldbaserede tilnærmelser, kaldet "Tsai-type tilnærmelser", tilstedeværelsen af ​​magnetisk orden blev opdaget, hvis type kan styres af sammensætningen af ​​tilnærmelserne - en spændende mulighed for materialeforskere at udforske.

I sådanne tilnærmelser af stigende kompleksitet, såsom det, der består af guld (Au), aluminium (Al), og terbium (Tb), den magnetiske orden viste sig at være antiferromagnetisk, hvor hver ion i krystallen fungerer som små magneter med sine poler modsat sine naboers. I en ny undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgang B, Prof. Ryuji Tamura fra Tokyo University of Science (TUS), Japan, sammen med sine kolleger Sam Coates fra TUS, og Hem Raj Sharma og Ronan McGrath fra University of Liverpool, udforskede atomstrukturen af ​​den antiferromagnetiske overflade denne tilnærmelse af Tsai-typen. Prof. Tamura, hvem ledede undersøgelsen, siger:"Au-baserede Tsai-approksimanter er underforsket sammenlignet med deres sølv (Ag)-baserede modstykker, især inden for overfladevidenskab. At forstå strukturerne af disse Tsai-materialer vil give mulighed for dybdegående fortolkninger af deres specifikke egenskaber, såsom magnetiske overgange, elektroniske funktioner, og superledningsevne." Deres undersøgelse gav uventede resultater.

Byggestenene til tilnærminger af Tsai-typen er "klynger af Tsai-typen", flerhedede skaller, hvis antal sider afhænger af varianten af ​​den tilnærmede. I deres undersøgelse, Prof. Tamuras team valgte en 1/1 variant af Au-Al-Tb-approximanten, hvor en tetraedral enhed var indesluttet i en dodecahedron, icosahedron, icosidodecahedron, og rombisk triacontahedron. Tb-atomerne optog hjørnerne af icosahedron, mens Au/Al-atomerne optog hjørnerne af de resterende skaller.

Forskerne undersøgte en specifik overflade af en enkelt krystal af 1/1 Au-Al-Tb ved hjælp af et scanning tunneling mikroskop (STM) og understøttede deres observationer med tæthed funktionel teori (DFT) beregninger.

De fandt ud af, at overfladen havde en ejendommelig trin-terrasse-lignende struktur med terrasserne, der ender ved planer indeholdende Tb-atomer og en trinhøjde, interessant nok, syntes at minimere antallet af ufuldstændige icosahedrons. Desuden, de fandt ud af, at terrassestrukturen afhang af tegnet på forspændingsspændingen på prøven. Mens man er i positiv bias, Tb -atomerne viste et rhombohedralt eller sekskantet arrangement, negativ bias afslørede, at Au/Al-atomerne var arrangeret i en lineær rækkelignende struktur, en slags skift, der ikke tidligere er observeret i et Tsai-type materiale. "Da dette er det første materiale af Tsai-typen, der viser et sådant skema, vi er nødt til at undersøge Au-baserede Tsai-typer yderligere for at vurdere, om kemisk sammensætning har en rolle at spille i overfladestrukturen, " kommenterer prof. Tamura. Observationerne var i overensstemmelse med DFT-beregninger.

Mens kvasikrystaller har fundet flere anvendelser, lige fra kirurgiske instrumenter, LED'er til non-stick stegepander, de er langt fra velforståede, og de nylige fund i kvasikrystallignende strukturer tjener til at antyde de uudnyttede eksotiske muligheder, de rummer. "Den unikke struktur af overfladen af ​​Tsai-typen antyder, at kvasikrystaller kunne bruges som skabelon til molekylær adsorption i skabelsen af ​​organiske halvledende tynde film, " Prof. Tamura siger. "Forståelse af, hvordan strukturændringen svarer til magnetismen, kan åbne døre til nye applikationer, " tilføjer han.

En ting er sikker:kvasikrystallen er lidt klarere!