北京
材料的晶界因其在調控材料力學與物理性能方面所起的關鍵作用，長期以來受到廣泛關注與持續研究。對于結構材料而言，晶界對位錯運動具有顯著阻礙作用，因而材料強度通常隨晶粒尺寸減小而提高，這一規律可由經典的Hall–Petch關系定量描述。對于功能材料而言，晶界因具有獨特的原子構型與電子結構，往往成為新穎物理與化學行為的起源地，由此催生了“晶界工程”這一高效提升材料綜合性能的重要策略。在電學性能方面，晶界在多數情況下表現出低于晶內的電導率，其根源主要在于晶界處原子排列突變與化學鍵合不連續所引發的強電子散射及電流阻塞效應；這種低電導特性嚴重制約了多晶材料在電子信息領域的實際應用。因此，探索提升晶界電導率的有效途徑，并深入闡明其內在物理機制，不僅具有重要的基礎科學價值，也對高性能電子材料與器件的研發具有顯著的現實意義。
磁鐵礦（Fe3O4）是一種典型的半金屬化合物，具有立方反尖晶石晶體結構：其中四面體A位由Fe3+離子占據，八面體B位則由等量的Fe2+與Fe3+離子共同占據。在室溫下，B位點中Fe2+與Fe3+呈隨機分布，二者之間快速發生的電子躍遷賦予該材料高達約250?Ω-1·cm-1的本征電導率。從能帶結構角度看，Fe3O4中自旋向上的電子能帶結構呈現絕緣特性，而自旋向下的電子能帶結構則為金屬特性；換言之，僅自旋向下的電子對整體電導率有實質性貢獻。理論上，若能調控Fe3O4晶界處自旋向上電子的能帶結構，使其由絕緣態轉變為金屬性，則有望顯著提升其電導率。
近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料顯微科學研究部陳春林研究員團隊，通過原子尺度精準構筑Fe3O4的Σ5與Σ13晶界，并發展適用于晶界微區的電學性能測試征方法，首次發現上述兩類晶界展現出顯著高于晶粒內部的電導率；該現象突破了傳統認知中“晶界必然導致電導率下降”的范式。相關研究成果以“Enhanced electrical conductivity at Fe3O4?grain boundaries”為題發表于《Science Advances》期刊。姚婷婷研究員、高春陽博士及孫子益（2023級博士研究生）為論文共同第一作者，陳春林研究員為通訊作者。
全文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb8164
研究團隊利用脈沖激光沉積技術外延生長出含單一晶界的高質量Fe3O4薄膜，成功構建了結構明確的Σ5與Σ13晶界模型體系。微區電學性質測試結果證實，兩類晶界均表現出顯著增強的導電性。結合像差校正掃描透射電子顯微鏡的原子級結構解析與第一性原理計算的協同研究，團隊系統揭示了晶界處的原子構型、局域電子結構演化及能帶重整化規律。結果表明：晶界區域存在明顯的電子富集效應，導致部分Fe離子價態由+3價還原為+2價；同時，四面體配位的Fe亞晶格在界面處形成一條自旋向上的導電通道，誘導發生半金屬性到金屬性的轉變，從而顯著提升晶界電導率。本研究首次在原子尺度上闡明了晶界電導率反常增強的物理起源，不僅深化了對晶界本征物性的理解，也為晶界功能化設計提供了新思路。此類基于半金屬至金屬性轉變來提升晶界電導率的策略，有望拓展應用于其他具有類似電子結構特征的半金屬功能材料體系。
本研究獲得國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃、遼寧省青年基金B類項目及廣東省基礎與應用基礎研究重大項目等多項資助。
圖1. Fe3O4 Σ5雙晶薄膜的結構表征
圖2. Fe3O4 Σ13雙晶薄膜的結構表征
圖3.Fe3O4雙晶薄膜的電導率測量
圖4. Σ5 GB電子結構的第一性原理計算
圖5. Σ13 GB電子結構的第一性原理計算
來源：中國科學院金屬研究所。
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