ROPP编辑优选：实验和理论揭示Jahn–Teller效应如何驱动晶格负热膨胀
本篇研究来自郑州大学高其龙课题组。本研究围绕负热膨胀（Negative Thermal Expansion，NTE）驱动机制这一关键科学问题，综合运用中子粉末衍射、同步辐射X射线衍射、变温变压拉曼光谱及第一性原理计算等多尺度实验与理论方法，系统研究了典型各向异性NTE氧化物的热膨胀行为及其微观起源，发现了Jahn–Teller效应驱动负热膨胀的新机制。不同于传统研究主要从低频声子振动、刚性单元转动等晶格动力学机制，或电子结构变化等单一角度解释NTE行为，本研究阐明了Jahn–Teller效应驱动Cu原子反偏心位移诱导晶格收缩的微观机制，揭示了电子结构演化、电子-声子耦合与局域结构演化之间的内在关联，建立了电子-晶格相互作用调控热膨胀行为的物理图像，深化了对复杂氧化物负热膨胀驱动机制的认识，为可控热膨胀功能材料设计提供了新的理论指导。 文章介绍 Jahn–Teller Distortions induced Strong Negative Thermal Expansion in α-Cu2V2O7 Xiangkai Hao（郝向凯）, Shibo Zhao（赵世博）, Qilong Gao（高其龙）, Yongqiang Qiao（乔永强）, Andrea Sanson, Kittiwit Matan, Ganatee Gitgeatpong, Qiang Sun（孙强）, Juan Guo（郭娟）, Feng Jin（金峰）, Lunhua He（何伦华）, Shogo Kawaguchi, Erjun Liang（梁二军） and Jun Chen（陈骏） 通讯作者： 高其龙，郑州大学，物理学院，材料物理教育部重点实验室，郑州，450001 研究背景： 负热膨胀是材料科学中的一种反常热响应现象。由于能够有效补偿常规材料的热膨胀、提升器件的尺寸稳定性，负热膨胀材料在精密制造、光电子器件、集成电路封装、航空航天等领域具有广阔的应用前景，然而其驱动机制一直是科学研究的难点与热点。长期以来，负热膨胀行为多归因于低频声子振动、刚性单元转动等晶格动力学机制，或电子结构变化等单一因素，并据此解释了部分材料的负热膨胀行为。然对于具有复杂晶体结构和电子态特征的材料体系，电子结构、晶格振动之间往往存在显著耦合，传统基于单一机制的理论难以全面揭示此类材料负热膨胀的微观起源，电子-晶格耦合作用在负热膨胀行为中的作用及其调控规律仍缺乏认识。基于此，本研究从电子结构演化与晶格响应协同作用的角度切入，综合中子粉末衍射、同步辐射X射线衍射、变温变压拉曼光谱及第一性原理计算等多尺度实验与理论方法，旨在揭示电子结构演化、电子-声子耦合与局域结构演化之间的内在联系，构建电子-晶格协同调控负热膨胀的新物理图像，为深化负热膨胀驱动机制的理论认识和指导新型热膨胀功能材料设计提供新的科学依据。 研究内容： 本研究以典型各向异性负热膨胀氧化物α-Cu2V2O7为模型体系，围绕其负热膨胀行为的驱动机制开展系统研究。综合运用中子粉末衍射、同步辐射X射线衍射、变温变压拉曼光谱等先进实验表征手段，结合第一性原理计算，对材料在5–800 K范围内的晶体结构演化、晶格动力学及电子结构演化进行系统分析，旨在揭示电子结构演化与晶格响应之间的内在关联，阐明复杂氧化物负热膨胀形成的微观物理机制。 本研究系统揭示了α-Cu2V2O7宽温区热膨胀行为及其各向异性特征（图1）。结果表明，该材料在5–35 K表现出近零热膨胀特性，在35–550 K表现出显著负热膨胀，而在550–800 K转变为正热膨胀（图1c）。不同晶轴之间热响应的竞争性变化共同决定了材料宏观热膨胀行为（图1d）。…
