Nano Select:功能材料的功能性起源

具有光、电、磁、热等宏观特性的功能材料在能源收集与转换、传感、计算和数据存储等领域扮演着不可或缺的角色。探索功能材料的功能性起源以期进一步提高材料与器件的性能、设计新材料引起了研究人员的广泛关注。功能材料的物性依赖于局域对称性与场,其中对称性可以由晶格、电荷、轨道与自旋四个基本自由度来描述。外场作用下的局域对称性破缺总是伴随着原子最近邻、次近邻晶格扭曲和电子结构变化,不仅导致功能材料特性的变化,同时由于晶格与电荷、轨道以及自旋之间复杂的相互作用,衍生出新的物理效应和新奇物性(如界面超导、磁电耦合、手性磁性)。因此,精确测量局域对称性破缺下的原子结构和电子结构是理解材料物性起因和实现功能性调控的关键。高空间分辨透射电子显微学的发展使得原子尺度上表征点阵结构和电子结构成为可能,为建立功能材料局域结构与功能性之间的联系提供了重要契机。

近日,中国科学院物理研究所谷林研究员在Nano Select (DOI: 10.1002/nano.202000020)上发表题为“Origin of functionality for functional materials at atomic scale” 的综述性文章,总结了先进透射电子显微学方法在探索功能材料功能性起源方面的研究进展。文章首先根据局域对称性和外场响应特征,将功能材料的功能性大致分为结构活性、热活性、光活性、电活性以及磁活性五种基本类型,并系统论述了基本功能特性与晶格、电荷、轨道与自旋之间的内在联系。随后,通过选取典型案例评述了高空间分辨测量局域对称性破缺下的基本自由度在诠释功能性起源方面的关键作用。最后,文章展望了该领域未来的研究方向和所面临的挑战,并强调了机器学习在透射电镜数据处理、挖掘深层次结构与物性关联方面的潜在前景。作者希望,文章的观点和论述不仅能够为理解功能材料的性能起源提供一种新思考角度,同时也为功能性调控提供科学依据。