基于对界面物理化学特性的精细构筑与调控，异质外延纳米材料近年来在催化、电子及光学领域展现出巨大的应用潜力并受到广泛关注。william威廉中文官网周继寒课题组长期致力于核壳纳米颗粒的结构解析、构效关系及演化机制研究，先后揭示了 Pd@Pt 颗粒的扩散界面（Nat Commun14, 2934 (2023)、Zr@ZrO₂核壳颗粒的界面及孔洞结构（Nat Commun15, 7624 (2024)），以及 Au@Pd 与 Pd@Pt 颗粒的催化构效关系（ACS Nano 19, 9006 (2025); J. Am. Chem. Soc.147, 41573 (2025)）。

在此基础上，周继寒课题组将研究进一步拓展至不同晶体结构组合的核壳纳米体系。在不同晶体结构（如hcp, bcc, fcc）的纳米晶上进行异质外延是调控原子排布的关键技术，然而界面缺陷和应变弛豫协调结构失配的三维原子尺度机制仍不甚清晰。近日，周继寒课题组在《物理学进展报告》(Reports on Progress in Physics)上发表了题目为“Atomic-scale 3D insights into heteroepitaxial mechanisms in hcp/fcc, bcc/fcc, and fcc/fcc core-shell nanoparticles”的研究论文。该工作利用原子分辨电子三维重构技术，系统揭示了三种不同晶体结构（hcp/fcc, bcc/fcc, fcc/fcc）核壳纳米颗粒中的异质外延机制（图1）。三种体系通过各自特征性的生长模式缓解结构失配：hcp/fcc Ru@Pt呈现共格生长与半共格生长共存；bcc/fcc PdCu@Pt通过核-壳间应变共享实现共格外延；而十面体fcc/fcc Ru@Pt界面则以取向生长结合孪晶增殖为特征。进一步地，研究团队在hcp/fcc纳米颗粒中观察到，多种半共格外延模式形成了尺度低于10 nm的由Hirth，Lomer-Cottrell, Shockley三类位错相互连接而成的复杂三维位错网络。

图1. hcp/bcc/fcc纳米颗粒上的异质外延与三维原子结构测定

不同晶体结构（如hcp, bcc, fcc）的基底能够有效调控外延层的晶体结构、表面形貌和电子能带等关键特性。然而目前对异质外延生长机制的理解主要基于二维投影成像技术，由于不同晶体结构的晶畴在投影中常常重叠，仅凭单一投影图像难以准确解析界面缺陷及其相应的应变弛豫机制，从而容易导致对异质外延生长模式的过度简化。

通过原子分辨三维重构技术，研究者解析了多个hcp/fcc, bcc/fcc以及fcc/fcc核壳纳米颗粒。在hcp/fcc Ru@Pt中，除晶相选择性共格生长外，还识别出两类伴随晶格弯曲的半共格生长模式，并形成由三类位错相互连接、跨越5个原子层的位错网络（图2）。应变分析进一步表明，从共格生长到半共格生长的转变，与从压缩hcp-Pt到应变弛豫的hcp-Pt、最终转变为fcc-Pt这一能量逐渐降低的过程相一致。对于bcc/fcc PdCu@Pt颗粒，不同于以往核壳纳米颗粒的应变主要由壳层承担的认知，PdCu核与Pt壳在核壳界面处通过各个法向分量上的应变共享缓解晶格失配实现共格生长。在十面体fcc/fcc Ru@Pt颗粒中，他们观察到取向生长与孪晶增殖在核壳界面共存，其中异质孪晶界有效缓解了壳层中的体积应变。分子静力学模拟表明，上述三种模型体系中的异质外延模式主要由界面与核壳之间整体的能量平衡所决定（图3）。这些发现提供了二维投影难以获得的机制见解，有望推动界面结构的定向设计与应变工程的精准调控。

图2. hcp/fcc Ru@Pt颗粒中的共格/半共格生长与位错网络

图3. hcp/fcc, bcc/fcc, fcc/fcc界面形成能模拟计算

文章的第一作者是william威廉中文官网2022级博士生穆禧龙，通讯作者是周继寒研究员和中国科学院山西煤炭化学研究所何鹏研究员。

该工作得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心资助，并得到了北京大学电子显微镜实验室、北京大学分析测试中心、北京大学高性能计算平台、清华大学分析中心的支持。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/ae72c5

排版：高杨
审核：牛林，刘志博