氧化铝表面与金属/氧化铝界面的原子结构与物理化学特性

Surface and interface problems of alumina play an important role in electronics, catalysis, and oxidation protection of metallic materials at high temperatures. The surfaces and interfaces of alumina bring difficulties to conventional surface science techniques due to the structural complexity and highly insulating character of alumina, making the surface structure of alumina far from clear. Alumina surfaces was even listed as one of "three mysteries in surface science". In this project, we will investigate the structure and properties of alumina surfaces and alumina/metal interfaces using aberration-corrected transmission electron microscopy and first-principles calculations. Quantitative measurement of alumina surfaces in various orientations and alumina phases will be performed, in order to establish general laws governing the alumina surface structure and their stabilities. Atomic structure of alumina/metal interfaces will be analyzed with respect to the charge transfer between alumina and metals. The effects of interfacial structure interfacial segregation to the mechanical behaviors of the interfaces will be analyzed. The studies in this project would contribute to the design of materials and devices based on alumina surfaces and interfaces, such as overlay coatings on superalloys, growth of electronic thin films, and supported catalysts. Surface and interface science of other important corundum-type (like Fe2O3, V2O3, Cr2O3) and spinel-type oxides (like ZnAl2O4, NiFe2O4) would benefit from these studies.

氧化铝的表面与界面问题在众多材料中表现得很特殊。一方面它们在电子薄膜、催化剂、高温合金抗氧化涂层等领域有重要应用；另一方面，人们至今对氧化铝的表面与界面问题认识不清。氧化铝的表面甚至被列为"表面科学的三个神秘问题"之一。本项目拟针对表面与界面科学领域这一经典难题，结合像差校正电子显微学实验分析与第一原理大规模并行计算，突破氧化铝的结构复杂性与绝缘性给常规表面科学方法带来的困难，在亚埃尺度对氧化铝表面与金属/氧化铝界面的原子结构进行直接测量。通过对不同晶型，不同取向的氧化铝表面与金属/氧化铝界面的定量结构研究，建立氧化铝的表面结构及其稳定性的基本规律，总结氧化铝表面电子结构的一般特点；分析金属/氧化铝界面的原子结构与元素偏析对界面电荷转移和力学性能的影响。研究结果不仅有助于认识与设计基于氧化铝表面与界面的材料与器件，也对其它具有相似结构的氧化物的表面与界面研究有重要参考价值。

绝缘体氧化物的表面结构是表面科学的难题。本项目针对氧化铝的两种主要晶体结构，即刚玉结构与尖晶石结构，结合亚埃尺度像差校正电子显微学实验与第一原理大规模并行计算，主要研究了不同晶型，不同取向的刚玉结构与尖晶石结构的表面原子结构、电子结构、磁结构；NiAl氧化形成氧化铝的动力学因素；以及担载催化剂的晶体结构与尺寸变效应。除了氧化铝本身，我们在等结构的相关氧化物的表面与界面研究进行了扩展。研究按计划执行，取得了重要结果，较好地完成了研究目标。部分结果已发表（标注本项目号的SCI论文16篇，包括国际一流期刊JACS，Science和国内一流期刊《科学通报》、《中国科学》等），后续还将有一批与本项目直接相关的结果发表。培养博士生5名，硕士生1名，博士后1名。项目成果之一被Science作为亮点工作加以科普性介绍。