Iron atoms in brown, oxygen atoms in light blue.这是铂衬底上的一种新型单层氧化铁的计算机可视化图像。棕色原子是铁原子，亮蓝色是氧原子。图片来源：IFJ PAN。 

自然界的氧化铁有多种形式，从结构到物理性能都相互不同。然而，由Cracow的科学家发现的一种新型氧化铁材料具有特殊的性能，使得物理学家和工程师都非常兴奋。

这种新型氧化铁(FeO)是一种金属晶体，几乎没有缺陷，具有卓越的电磁性能。这种材料是由多家研究单位的物理学家共同开发，建模以及测试的，包括Cracow国家研究中心（KNOX）、波兰科学院核物理研究所（IFJ PAN）、波兰催化和表面化学研究所（IKiFP PAN）和波兰科技大学物理与应用计算机科学系（WFiIS AGH）。IFJ PAN的一个科研小组负责材料的计算机模拟；IKiFP PAN 和 WFiIS AGH的研究小组进行实验来确定新的铁氧化物层和其性质的形成；格勒诺布尔欧洲同步辐射装置（ESRF）的物理学家、巴黎索邦大学和Cracow教育大学也参与了该研究。

“我们已经在材料建模这一领域工作多年，我们以量子力学和统计物理为基础建立模型，使得我们可以决定原子在晶体结构中的位置，同时预测材料的电学、磁学和热力学方面的性质。”Przemyslaw Piekarz解释说。Cracow的理论物理学家则主要研究晶格动力学，从而可以深入研究晶体中材料的振动行为。他们使用的一项工具就是PHONON程序，这是由Krzysztof Parlinski 教授(IFJ PAN)发明的一种工具。VASP软件则可以用于优化模型。“我们的模型包括一层氧和铁，其厚度只有一层原子层，并且沉积在铂基板上。这些单层的原子形成一个六边形结构，像一个蜂窝，和二维石墨烯结构类似。” Piekarz博士说。他强调说，石墨烯具有一种非常完美的二维结构，而这种氧化铁层确实卷曲的，每一个铁原子由三个氧原子包围，这些氧原子离基板的位置比铁原子更远。

由于Jozef Korecki (IKiFP PAN and AGH)教授带领小组的不懈努力，从而使得理论预测验证了测量结果。“我们的实验室研究中，稳定材料的非天然来源的关键是在衬底上沉积单晶体层—在这种情况下，其取向和单晶铂有关，这样可以增强生长层的结构。在试验中，科学家可以生产一种化学计量比为1：1的FeO材料，且氧化层低于两个单层。如果继续添加层，整个结构将自动转化为磁铁矿Fe3O4。我们可以通过参数控制来使得在多个原子层的情况下也可以获得稳定的FeO层。”Korecki教授说。

在格勒诺布尔同步加速器进行的实验表明实验测试获得的数据与理论模型的预测高度一致。氧化铁通常会形成这样的晶体结构：原子排列在一个立方体的几个角上。研究人员预期的结果是当放上多层FeO以后就会立刻自动形成这种立方体结构。但是原子振动分析表明尽管加上十几个单层以后仍然只是保留这种六方结构。这意味着来自Cracow的研究人员可以获得一种新型氧化铁结构。随后的测量表明当单层的数量从6层增加到10层时，晶体中的铁原子具有一个长程磁序。这是一种非常奇怪的现象，因为氧化铁具有一种反铁磁性，其中铁原子中的不同位置的磁矩的方向相反，因此，该物质作为整体不被磁化。不仅如此，甚至在室温下都可以看到这种新相的存在。

最让人感兴趣的是关于铂基板上不同数量的FeO层对原子振动的影响。当层数只有一到两层时，原子的运动呈现出二维性质。当原子层数达到六层以上时，原子则在三维空间中震荡。关于材料的研究中原子的振动行为和系统的维数是紧密相关的。同时，当层数介于3、4、5层时，原子的振动处于中间态，对应的维度也是介于二维和三维之间的。“我们面对的这种材料其振动形式会逐渐从二维过渡到三维，而这种现象以前从来没有发现过。”Piekarz博士说。

该论文发表在《Physical Review Letters》杂志上。 


来源：新材料在线