導讀：具有明顯金屬絕緣體相變的材料越來越受關注，金屬鎂(Mg)是一個典型的體系。將Mg暴露於氫中，會導致金屬Mg向介電質氫化鎂(MgH2)相變，後者是一種高度透明的介電質材料。MgH2相可以反轉為金屬Mg狀態，使相變完全周期性。然而要實現廣泛應用還受到阻礙，需要克服微觀和納米尺度晶界上的一些問題。本文原位研究了納米級氫擴散動力學，發現氫化物相在晶界處成核，從晶界處氫化作用進入相鄰的納米晶。相關結果將將推動理解擴散動力學、相變效率，以及儲氫和制氫材料的發展。
活性等離子體和納米光子系統要求可切換的材料具有極高的材料對比度、較短的切換時間和可忽略不計的退化。在探索這些高性能過程中，對納米級的演變過程深入了解是必不可少的。近日，德國斯圖加特大學的Julian Karst等通過用於原位納米成像的自支撐膜揭示了金屬鎂（Mg）轉變成介電氫化鎂（MgH2）的納米級動力學細節。MgH2聲子共振可以實現前所未有的物質狀態之間的化學特異性。結果顯示氫化物相在晶界處成核，從晶界處氫化作用進入相鄰的納米晶。相關論文以題為「Watching in situ the hydrogen diffusion dynamics in magnesium on the nanoscale」發表在Science Advances上。
論文連結：
https://advances.sciencemag.org/content/6/19/eaaz0566
可切換的光學和納米光子系統無論從基礎角度，還是從應用角度都越來越受到人們的關注。具有明顯的金屬到絕緣體相變的材料是這類系統的主要候選材料，因此已經進行了詳細的研究。從金屬到介電相轉變過程中光學性質的極端變化使得它們與可切換的光學和有源等離子體系統高度相關。
鎂(Mg)是一個突出的和典型的材料體系，然而，目前對其的廣泛的研究主要側重在儲氫方面。在初始金屬狀態下，Mg表現出較大的自由電子密度和相對較小的寄生損耗，是一種優良的等離子體材料。將Mg暴露於氫(H2)中，會導致金屬Mg向介電質氫化物(MgH2)的相變，後者是一種高度透明的介電質材料。MgH2相可以反轉為金屬Mg狀態，使相變完全周期性。從概念上講，這使得能夠控制和可逆地開關Mg納米結構的等離子體共振。最初的研究證明了Mg- MgH2相變對可切換元表面的適用性，使動態全息或動態等離子體彩色顯示成為可能。
到目前為止，要廣泛應用還受到一些因素的阻礙，如氫化時材料的體積膨脹、循環性差、有限的氫擴散係數等。這就需要克服以下在微觀和納米尺度邊界上懸而未決的問題：相對緩慢的宏觀擴散是否受到本質上有限的納米擴散的限制？Mg薄膜的晶界、納米級結晶度和結晶形成對宏觀擴散的影響是什麼？為什麼在納米尺度上，Mg與鎳(Ni)的合金化會增加擴散係數？回答這些問題將為改進材料系統和使它們更接近應用提供新的途徑。
在此，研究者採用散射型掃描近場光學顯微鏡(s-SNOM)進行了定性分析。一方面，研究者介紹了一種技術，允許對Mg的氫化動力學進行原位成像，以研究納米級的形貌和結晶性對氫化物形成過程的影響，空間解析度小於20 nm。另一方面，研究者證明可以利用介電MgH2狀態下的強聲子模式的存在，來實現可切換材料系統中金屬和介電狀態之間前所未有的化學解析度和特異性。研究結果顯示氫化物相在晶界處成核，從晶界處氫化作用進入相鄰的納米晶。與以往的研究相比，研究者得出：單個晶體負載氫的時間尺度比宏觀薄膜短得多。研究結果表明，有限的宏觀加氫速度與Mg膜中明顯的晶態和晶界形成有關，這突出了未來改進的可能性。
圖1 原位s-SNOM原理。
圖2 Mg-MgH2相變的近場表現。
圖3 在50 nm Mg薄膜中擴散動力學的化學原位納米級成像。
圖4 氫化物相在單個顆粒中與整個膜中傳播的動力學。
圖5 加氫過程中的垂直膨脹。
綜上所述，本研究使用s-SNOM研究了原位條件下的納米級氫擴散動力學。MgH2特有的紅外聲子共振使其具有化學專一性，能夠明確地跟蹤氫化物的形成、成核和側向生長。該工作是推動理解擴散動力學、相變效率，以及儲氫和制氫材料發展的重要一步。（文：水生）
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