超原子可展现出与原子相近的电子依壳层排布特性，带来了模拟乃至替代自然原子的重要前景。其中，以超原子为基元来构建新型晶体材料，是物理、化学和材料科学等领域共同关注的研究。值得注意的是，因为超原子晶体结构是以超原子为基本单元，但基于超原子单元的缺陷影响尚不清楚。探索此类超原子基缺陷对晶体结构的影响，乃至发展出超原子缺陷工程，不仅可打开一个新的研究方向，而且是超原子基组装材料发展的关键方面和必然需求。

本工作选取了电子闭壳层排布的币族金属超原子W@Cu₁₂为基元，直接构建了强耦合作用的面心立方晶体，创新性地提出了一种以超原子为缺陷来源（图1），进而调控材料性质的思路，并引入了“超缺陷（super-defect）”这一全新概念。有趣的是，第一性原理的理论研究表明，无缺陷W@Cu₁₂晶体能够在约27eV能量处产生强的光折射效应，于此能量处的光几乎不产生光导、反射、吸收和能量损失，这使得此超原子晶体具备了过滤极紫外光的潜力。当在晶体中引入不同类型的超缺陷，如W@Cu₁₂的空位超缺陷、Cr@Cu₁₂的置换超缺陷，以及Ta@Cu₁₂和Re@Cu₁₂的共掺杂超缺陷时，这些带有缺陷的晶体不仅保留了原有无缺陷晶体的滤光特性，还能根据需要调整滤光的能量范围。值得一提的是，置换和共掺杂超缺陷增强了材料对特定能量范围光的反射率和吸收率，而空位缺陷则对降低材料的热容和弹性常数有着显著的影响。当前研究打开了以超原子作为缺陷单元的新研究方向，丰富了调控超原子晶体独特性质的途径，并将有助于推动超原子缺陷工程的建立和发展。

图1：无缺陷和含有超缺陷的W@Cu12晶体构象。

图2：无缺陷和含有超缺陷的W@Cu₁₂晶体光学特性。

相关研究成果以“Super-defects in superatomic crystals”为题，于2024年05月30日正式发表于《材料学报》（Acta Materialia, 2024, 275, 120047）。王志刚教授研究组博士生于法民为本文的第一作者。通讯作者为吉林大学物理学院物质模拟方法与软件教育部重点实验室王志刚教授和山东大学物理学院晶体材料国家重点实验室戴瑛教授。该工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

论文全文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424003999