金属键作为决定金属及合金物理化学性质的核心，其变形行为对于材料的性能设计及应用至关重要。其中，单原子金属链作为最简单的一维结构，能够通过直接的键长变形来响应施加的应力，是探究金属键伸长机制的理想模型。迄今为止，受限于实验技术，金属键长的拉伸应变通常不超过10%，且呈现为线性响应的特征。然而，高应变条件下金属键长的变化行为及其对于材料物理性能的影响，长期以来始终未能明确。

近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心材料显微科学研究部杜奎研究团队在金原子链变形研究中取得新的进展——成功实现了高达46%的拉伸应变，为金属键高应变行为研究提供了关键实验支撑。研究团队直接观测到离散键长分布，并揭示了电导从整数量子化到分数量子化再到绝缘态的阶梯式转变规律。该研究揭示的应变调控电导机制，为存储器、忆阻器的功能创新及量子计算领域的技术突破注入了全新思路，有望推动原子尺度电子开关、量子点接触忆阻器件等新型量子器件的发展。相关结果以“Direct Atomic Observation of Discrete Bond Lengths and Fractional Quantized Conductance in Gold Atomic Chains”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》上。

研究团队借助像差校正高分辨透射电子显微镜，在2%−46%宽应变范围内系统研究了金原子链键长伸长行为，同时排除了轻元素干扰（图1）。原子链的键长分布呈现显著的双峰分布规律，证实其离散分布特征（图2）。当原子链的应变超过12%后，键长不再同时线性均匀伸长，而是呈现平台分布与阶梯式拉伸特性（图3）。同时，团队在无轻元素污染的悬浮金原子链中观测到短−长键交替分布的典型二聚化构型。结合原位电学实验测量以及理论计算结果，揭示了电导阶梯式下降和分数量子化电导行为，阐明了原子链的结构与其电导的对应关系（图4）。

该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目的资助。

原文链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5c18299

图1. 不同构型原子链的像差校正高分辨透射电子显微图像。

图2. 金原子链的键长分布。金原子链的键长呈现离散分布特征，集中在两个独立区间：0.260−0.296 nm（短键S）和0.321−0.397 nm（长键L）。

图3. 原子链上各原子键长随着应变的变化行为。低应变阶段，所有键长线性均匀伸长；当应变超过12%，部分键长优先从S态伸长至L态，其余键长暂时维持S态；最后，剩余的S态的键长随着应变得进一步增加，分布伸长至L态。

图4. 原位观察测量金原子链的结构和电导变化。随着应变增加，原子链从S−S构型经S−L构型转变为L−L构型时，电导阶梯式下降，分别对应1G₀（G₀ = 2e²/h，量子化电导基本单位）的整数量子化水平、0.13G₀的分数量子化状态，以及最终趋近于0的绝缘态。