米乐m6官方网站（AIST）纳米系统研究所（所长：Tomohiko Yamaguchi）非平衡材料模拟组的 Kengo Nishio（高级研究员）、Hisao Nakamura（高级研究员）和 Takehide Miyazaki（组长）发现，非晶态金属氧化物独立存在结构通用性基于几何考虑和第一性原理计算，确定金属的种类以及金属和氧的比例。

非晶态金属氧化物是用于晶体管、存储芯片等绝缘膜以及太阳能电池透明电极的重要材料。需要了解原子水平的材料结构，以抑制原子水平材料结构的变化，从而将器件尺寸缩小到纳米水平。本研究分别分析了金属原子和氧原子的排列，预测非晶金属氧化物的结构是金属原子和氧原子的无规堆积结构的叠加。

这一结果有望有助于电子设备材料设计的技术升级。该结果的详细信息描述于物理评论信美国物理学会第 111 卷，155502 (2013)。

(a) 通过第一性原理计算得到的非晶态二氧化铪（也称为二氧化铪）的原子排列 蓝色和红色球体分别代表铪和氧原子。结构 (a) 分别由 (b) 铪和 (c) 氧的无规堆积结构叠加而成。

金属氧化物是用于晶体管和存储芯片的绝缘膜以及太阳能电池中的透明电极的重要材料。非晶结构常用于获得均匀的薄膜并使成膜过程更容易。为了将器件小型化至纳米级，以降低功耗并提高器件性能，有必要在原子水平上创建均质材料。对非晶金属氧化物原子结构的充分了解将有助于更合理地设计满足材料均匀性和电绝缘性的工艺条件。与结晶金属氧化物不同，非晶金属氧化物的原子排列非常复杂，没有规律性，因此尚未对非晶金属氧化物的原子结构有全面的了解。

AIST一直致力于模拟技术的开发，以加速先进材料和器件的开发。对于非晶材料，仅通过实验方法无法精确获得原子水平的结构信息。因此，需要使用仿真对非晶结构进行高精度建模。迄今为止，对非晶材料（聚集的金属封装的硅团簇）进行了结构建模，发现在保持团簇结构的同时，可以存在类似于非晶硅和液态硅的结构。此外，还研究了限制在直径为几纳米的孔隙中的非晶态氩的稳定性，提出纳米孔隙中氩固体最稳定的结构不是晶态结构，而是非晶态结构。本研究利用几何考虑和第一性原理计算对非晶金属氧化物的结构进行反复分析，以全面了解非晶金属氧化物的结构。

阐明非晶结构本质上是凝聚态物理学中最困难的任务之一。图 1 显示了晶体结构和非晶结构之间的概念差异。在晶体中，原子呈周期性排列（图1（a）），因此可以相对容易地识别它们的结构。然而，与晶体不同，非晶结构（图1（b））具有无序结构，原子排列没有周期性。除了与最近相邻原子的排列有关的规律性之外，很难获得详细的结构信息，即特定原子的周围原子的数量往往是一个确定值（短程有序）。在非晶态金属氧化物中，金属原子周围最近的氧原子的数量根据金属的类型和氧含量而不同。例如，氧化铝（Al₂O₃)有4和5，二氧化钛(TiO₂) 和氧化铟 (In₂O₃) 都有 6，氧化锆 (ZrO₂) 和二氧化铪 (HfO₂)都具有6和7。因此，对于非晶态金属氧化物在短程有序方面没有发现共同的性质。因此，到目前为止尚未对相关材料进行全面调查。

图1：显示晶体结构和非晶结构之间差异的概念图 红色球体代表原子。

AIST 研究了第二最近相邻原子的排列（中程顺序），以澄清非晶金属氧化物中是否存在共同的原子排列，无论金属的类型和氧含量如何不同，以及可能的排列是什么。为此，产业技术研究所回归到晶体结构的几何考虑，构建了一种方法论来考虑由一种原子组成的非晶态金属氧化物的结构原理，其晶体结构类似于球体的晶体堆积结构，例如面心立方晶格、体心立方晶格等。其次，晶体金属氧化物中金属原子和氧原子的排列都类似于晶体堆积结构或接近它们的结构。例如，氧化铜（Cu₂O)晶体可以看作是铜原子的面心立方晶格和氧原子的体心立方晶格的叠加。概括这一结果，预计金属原子和氧原子分别形成类似于非晶金属氧化物中球体无规堆积的结构。换句话说，非晶氧化物的结构是金属原子和氧原子无规堆积的叠加。

为了证实上述想法，选择了钛（Ti）、锆（Zr）、铪（Hf）、铜（Cu）、铝（Al）、镓（Ga）和铟（In）七种金属，并对其氧化物（TiO）的非晶结构进行了第一性原理计算₂,氧化锆₂，HfO₂，铜₂O，阿尔₂O₃，GA₂O₃并在₂O₃) 已执行。

无论是金属氧化物的晶态还是非晶态，金属原子的最近邻居都是氧原子。因此，为了通过分析第二近邻来研究中程有序，研究人员将金属氧化物的结构分解为金属原子的排列和氧原子的排列。然后他们研究了金属（氧）原子如何排列在金属（氧）原子周围。 Al 中的氧原子₂O₃如图所示。众所周知，球体的强随机堆积包含五角双锥结构，如图3所示。由于二十面体结构由五角双锥结构组成，因此表明非晶金属氧化物的结构是金属和氧分别叠加，形成类似于球体随机堆积的结构。

图 2：非晶态铝中的二十面体排列2O3通过第一性原理计算得到 大的彩色球体显示 (a) 铝原子和 (b) 氧原子的二十面体排列。

图3：五角双锥结构（大彩色球体）

在计算机上构建由最邻近的金属原子之间的平分面和最邻近的氧原子之间的平分面包围的多面体（称为维诺多面体），以定量研究非晶金属氧化物中的五角双锥结构，并计算形成维诺多面体的表面的边数以研究表面形状的分布（图4）。如果存在多个五角双锥结构，则由多个五边形形成沃罗诺伊多面体。作为球体随机堆积结构的示例，对颗粒系统的无定形结构进行了类似分析，其中颗粒根据 Lennard-Jones 势相互作用（图 4（i））。如图4（a）至（g）所示，无论金属类型或氧含量如何，五边形形状都是金属和氧构建Voronoi多面体形状中最常见的形状，并且出现频率按六边形→四边形→七边形→三边形→八边形的顺序下降。这与图 4(i) 中 Lennard-Jones 势能系统所示的结果相同。结论是非晶金属氧化物的结构是由金属和氧原子的无规堆积结构的组合形成的。

换句话说，目前的研究已经确定了物质的通用结构。图4(h)显示了半导体Si氧化物(SiO₂）。四方形状是硅网络的沃罗诺伊多面体中最常见的形状，并且只有氧原子形成无规堆积结构。硅和氧之间的强共价键被认为是主要原因。

图4：(a)至(g)非晶态金属氧化物中金属和氧的Voronoi多面体中各自的边数分布 为了比较，(h)半导体Si的氧化物(SiO2)和(i)无定形结构，其中粒子根据Lennard-Jones势相互作用。 (a)至(g)均为金属氧化物，但(h)是具有不同特性的半导体氧化物的结果，曲线以绿色显示，以区别于(a)至(g)。

非晶金属氧化物的结构形成为金属原子的无规堆积结构和氧原子的无规堆积结构的叠加的原因可以定性地解释如下。金属氧化物中发生从金属到氧的电荷转移，因此金属原子带正电，氧原子带负电，因此金属和氧原子以离子键结合。从金属原子的网络来看，氧原子的作用可以认为是均匀的负电荷。负电荷通过减少金属原子上正电荷的排斥来防止金属原子网络的破坏。离线时，金属原子被认为是氧原子网络的均匀正电荷。正电荷减少了氧原子的负电荷之间的排斥力并防止氧原子网络的破裂。并且力被认为导致原子的随机堆积。

利用目前关于中程有序的发现，预计可以对非晶金属氧化物结构进行更精确的建模，并比以前的情况更好地抑制精确色散。未来，将进行进一步的开发，以实现各种非晶金属氧化物材料的原子结构的合理建模，例如用于纳米级电子器件的绝缘膜和太阳能电池的电极透明材料。