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《自然》杂志：中英科学家通过晶体“镀金”使
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摘要：在我们的生活中常常形容一个人通过某种“镀金”的方式改变了这个人的生活。在这里，要介绍的是，一种晶体通过某种“镀金”的方式，会改变这种晶体的特性。 一个由中国和英国的
在我们的生活中常常形容一个人通过某种“镀金”的方式改变了这个人的生活。在这里，要介绍的是，一种晶体通过某种“镀金”的方式，会改变这种晶体的特性。
一个由中国和英国的物理学家组成的研究团队，展示了一种现代的“炼金术”，该研究表明，通过在晶体表面涂抹一层薄薄的金或其它贵金属，可以改变晶体的结构及其内在特性。这一最新重大研究成果论文，题为：“界面极性对称引起的压电和热电效应”，发表在了最近这一期的《自然》杂志上。
该研究论文的前4名作者，皆为在英国华威大学物理系从事研究的中国学者。论文第一作者、杨明敏（Ming-Min?Yang）博士，在该论文发表后现在日本理研研究所（RIKEN）从事研究。
研究团队发现了一种方法，只需在表面添加一层金属即可在晶体中实现以前无法实现的电感应效应，例如将运动或热转换为电，这种效应比传统研究的笨重材料具有更大的灵活度，使其非常适用于传感器、能量转换和移动技术等领域。
该技术的关键是打破晶体结构的对称性。晶体可以由许多不同的原子制成，但是晶体这一术语描述的是形成对称图案的晶粒的有序结构。
论文主导之一、华威大学物理系马林·阿列克谢（Marin?Alexe）教授说：“在物理学中，这些晶体材料的结构相当乏味。从功能的角度来看，对称也许并不是人们想要的最重要的东西，而想要以一种可以破坏这种对称性而产生新效果的方式。”
晶体可以充当半导体，使电流流过它。通过向晶体表面添加一小块金属，科学家们创造了一种称为肖特基结的结。肖特基结，英语：Schottky?junction，指具有整流特性的金属-半导体界面的结，就如同二极管具有整流特性。肖特基结的势垒相较于PN结最大的区别在于具有较低的接面电压，以及在金属端具有相当薄的(几乎不存在)耗尽层宽度。
肖特基结会在半导体中感应出电场，从而激发金属下面的半导体结构，破坏其对称性，并实现以前不可能有的新效果。
研究人员观察到的这些效应包括压电效应，其中运动被转化为电能，反之亦然；热电效应，将热量转换为电能。这些特性被称为界面效应（interface?effects），并被限制在金属之下晶体的非常浅的区域，如下图所示Au-SrTiO3肖特基界面的原子模型。
杨博士说：“通常，这些晶体的特性取决于两个因素：一个是组成该晶体的元素所决定的固有特性；另一个是这些元素是如何排列构成该晶体，我们称其为对称性。
“我们的研究表明，这些元素的排列方式不仅取决于它们自身的性质，还可以通过外部影响进行调整。一旦我们使用这种影响来改变它们的排列，它们就可以展现出以前它们被禁止的特性。?”
研究人员使用了贵重金属譬如金和铂来形成结，这是因为其高度的热力学功能，但是铜、银、铱也将是不错的选择。对于晶体，使用钛酸锶、二氧化钛和硅。这些材料通常不会显示出压电或热电效应。
一旦材料具有压电或热电效应，当它们受到力（在压电效应的情况下）或温度变化（在热电效应的情况下）时，它们可以输出电流。通过检测材料中产生的任何电，科学家可以确认这些效应的存在。
观察到的效果为该技术提供了巨大的潜力，可用于需要高灵敏度的传感器或依赖能量转换的技术中。作为压电效应，晶体可以收集能量，或用作致动器或换能器。借助热释电效应，它们可以用作传感器或红外成像。
此外，这种效果的规模小且效率高，使其非常适合在移动技术中使用。
阿列克谢教授补充说：“对称性被破坏的材料具有丰富的功能。要改善这些功能，通常需要微调这些材料结构。这需要部署复杂的固态化学，然后进行详细的研究。”?“现在拥有了一条完全不同的途径来调整这些材料以及调整效果的能力，这是我们以前无法做到的。这为使用这些材料的其他可能性开辟了新领域，我们也许还不知道这种材料将会导致什么。”
参考：Piezoelectric?and?pyroelectric?effects?induced?by?interface?polar?symmetry,?Nature.?DOI:?10.1038/s41586-020-2602-4.?www.nature.com/articles/s41586-020-2602-4
文章来源：《自然科学史研究》 网址: http://www.zrkxzzs.cn/zonghexinwen/2020/0825/632.html