中科院金属所：发现室温稳定BCC金结构，金属键合新认知！

在常温常压条件下，元素周期表中的大多数金属元素会形成相对致密、热力学更稳定的体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和密排六方（HCP）三种晶体结构之一 [1]。对于纯金属而言，通过调整温度场或应力应变场，可能使部分族元素形成上述三种不同结构，甚至其他衍生结构。举例来说，通过常压温度调节可以使钛族元素（钛Ti、锆 Zr 和铪 Hf）形成上述三种结构，当施压超过2 GPa时，Ti和Hf还会形成ω相，一种BCC结构的畸变衍生相。相比之下，铜族元素（铜 Cu、银 Ag 和金 Au）在常压下仅呈现FCC结构，即使温度升高至其各自的熔点也不会发生结构转变，在室温下，缓慢加压数百 GPa仍具有高度稳定性。

近年，在压力介于225至298 GPa之间的冲击波压缩实验中，首次通过原位X射线衍射（XRD）检测到BCC金[1]。此外，当对金纳米晶体施加拉伸力时，在晶体颈缩过程中或断裂后也观察到了局部的BCC结构[2,3]。除了BCC金之外，在银丝的弯曲过程中，为了适应压缩区域的应变，也在FCC-BCC-HCP-FCC相变路径中观察到了银的BCC瞬态结构[5]。值得注意的是，电场也对bcc结构转变产生影响，文献4介绍了在电子辐照过程中，FCC结构的金薄膜中形成了纳米尺度的BCC金结构，但在进一步辐照后转变为非晶态。

中国科学院金属研究所李阁平研究员课题组首次成功合成了氟离子掺杂、沿[001]方向生长的Zr(OH)2(NO3)2·5H2O锆氢氧化物硝酸盐微纳米管，通过物理溅射沉积法在微纳米管表面制备出分散排列的金纳米颗粒，光照下产生较强的表面等离子体，通过透射电子显微镜（TEM）观察金纳米颗粒发现，在200keV电子辐照下，非晶金和部分FCC金转变为BCC金，且在持续辐照下稳定存在。BCC金结构由高分辨TEM图像分析，DFT计算和高分辨TEM图像模拟综合确定。

另外，从非晶金中形成的BCC金与FCC金形成了热力学更稳定的{1 1 0}BCC Au ‖{1 0 0}FCC Au共格界面。X射线光电子能谱(XPS)分析发现，微纳米管表面的金纳米颗粒内部发现了电子自转移，形成了正一价和负一价金。DFT计算表明微纳米管表面负离子与金纳米颗粒接触，该界面电场诱发了上述电子自转移。该课题组提出，这种电子转移提高了金原子的电子云密度，电子云与金离子核的库伦吸引作用更强，增强了金属键合强度，具有相对更小晶面间距的BCC金表现出更高的热力学稳定性。

本质上，BCC金周期结构的第一布里渊区内费米球可以容纳更高密度的电子态，因此，BCC金是带负电荷金的晶体结构选择。在电子辐照过程中，电子束的电子与金纳米颗粒中金原子发生散射，转移部分动量给金原子，使其可以发生晶格位移和扩散，诱发相变。正空间FCC-BCC转变，导致费米面fcc-bcc转变，由此引起能带对称的取向，电子云密度的变化，将对铜族元素与半导体接触的电子行为产生结构性影响。通过异质结构设计和界面电荷调控可以稳定非本征晶体结构，拓宽了金属元素在室温的结构选择，为金属纳米材料的结构调控和性能探索与优化提供了新的思路，为金属键合理论提供了全新认识。

该研究第一作者顾恒飞博士，于2015年硕士毕业于中国科学院金属研究所，2022年于美国罗格斯大学化学与生物化学系取得博士学位，现为普林斯顿大学博士后，并于2025年获提名为美国Sigma Xi科学研究荣誉学会的正式会员。该研究通讯作者为李阁平研究员。相关研究结果以题为“Increasing atomic electron cloud density enabled by heterostructure interfacial charge transfer leads to formation of body centered cubic (BCC) gold at room temperature”发表于Applied Surface Science。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.165061

文献：

[1] R. Briggs et al. Phys. Rev. Lett., 123 (2019), 045701.

[2] H. Zheng et al. Nat. Commun., 1 (2010), p. 144.

[3] A. Nie, H. Wang. Mater. Lett., 65 (2011), pp. 3380-3383.

[4]S.B. Lee et al. Acta Mater., 247 (2023), 118759.

[5] S. Sun et al. Phys. Rev. Lett., 128 (2022), 015701.

图1, Zr(OH)2(NO3)2·5H2O锆氢氧化物硝酸盐微纳米管的表征。

图2, Zr(OH)2(NO3)2·5H2O锆氢氧化物硝酸盐微纳米管表面金纳米颗粒的电子自转移。

图3, 200KeV电子辐照下金纳米颗粒内BCC金的形成。

图4, BCC金的形成机制。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢作者团队支持。