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4篇Nature、Science、5篇AM、1篇Nature Materials 中科院金屬所近期工作匯總！

2020-12-04 10:03:11 作者：Junas 來源：材料人分享至：

金屬所簡介

中國科學(xué)院金屬研究所（Institute of metal research， Chinese Academy of Sciences）創(chuàng)建于1953年；1982年，成立中國科學(xué)院金屬腐蝕與防護研究所；1999年，原金屬研究所與原金屬腐蝕與防護研究所整合，成立新的“中國科學(xué)院金屬研究所”，進入中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程“東北高性能材料研究發(fā)展基地”。

中國科學(xué)院金屬研究所主要學(xué)科方向和研究領(lǐng)域包括納米尺度下超高性能材料的設(shè)計與制備、耐苛刻環(huán)境超級結(jié)構(gòu)材料、金屬材料失效機理與防護技術(shù)、材料制備加工技術(shù)、基于計算的材料與工藝設(shè)計、新型能源材料與生物材料等。

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研究隊伍

目前形成了以葉恒強、李依依、柯偉、盧柯、成會明院士為代表的研究團隊，包括杰青20余人，優(yōu)青6人，萬人計劃入選19人等。

近期科研成果

為大家精選10篇文章，供大家學(xué)習(xí)參考。

Science：具有極細晶粒的多晶銅的受約束的最小界面結(jié)構(gòu)

金屬通常以多晶固體的形式存在，由于無序的晶界，多晶固體在熱力學(xué)上不穩(wěn)定。當(dāng)加熱時，通過粗化或當(dāng)晶粒足夠小時，通過轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)，晶界往往被消除。通過實驗和分子動力學(xué)模擬，李秀艷研究員、盧柯研究員等人發(fā)現(xiàn)了極細晶粒的純多晶銅的一種不同類型的亞穩(wěn)態(tài)。經(jīng)拉伸后晶粒尺寸減小到幾個納米，多晶的晶粒邊界演化為受雙邊界網(wǎng)絡(luò)約束的三維最小界面結(jié)構(gòu)。這種多晶結(jié)構(gòu)是研究所說的施瓦茲晶體的基礎(chǔ)，即使在接近平衡熔點的情況下，它在晶粒粗化方面也很穩(wěn)定。多晶樣品在理論值附近也表現(xiàn)出強度。相關(guān)研究以“Constrained minimal-interface structures in polycrystalline copper with extremely fine grains”為題目，發(fā)表在Science上。

DOI: 10.1126/science.abe1267

圖1 單個顆粒的高分辨率TEM圖像與軸面二面體幾何

Science：層狀二維MoSi2N4材料的化學(xué)氣相沉積

在單層極限下識別二維層狀材料，發(fā)現(xiàn)了許多新的現(xiàn)象和不尋常的性質(zhì)。中科院金屬所任文才研究員等人在非層狀氮化鉬的化學(xué)氣相沉積生長過程中引入單質(zhì)硅，使其表面鈍化，從而能夠生長厘米級的MoSi2N4單層膜。該單層由N-Si-N-Mo-N-Si-N的七層原子層構(gòu)成，可以看作是夾在兩層Si-N雙膜層之間的MoN2層。發(fā)現(xiàn)單層MoSi2N4具有半導(dǎo)體性質(zhì)（帶隙約1.94 eV）和優(yōu)于MoS2的理論載流子遷移率，還表現(xiàn)出優(yōu)于MoS2等單層半導(dǎo)體材料的力學(xué)強度和穩(wěn)定性；并通過密度泛函理論計算預(yù)測出了十多種與單層MoSi2N4具有相同結(jié)構(gòu)的二維層狀材料，包含不同帶隙的半導(dǎo)體、金屬和磁性半金屬等。該工作不僅開拓了全新的二維層狀MoSi2N4材料家族，拓展了二維材料的物性和應(yīng)用，而且開辟了制備全新二維范德華層狀材料的研究方向，為獲得更多新型二維材料提供了新思路。相關(guān)研究以“Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4 materials”為題目，發(fā)表在Science上。

DOI: 10.1126/science.abb7023

圖2 MoSi2N4的CVD生長

Science：具有高質(zhì)子電導(dǎo)率CdPS3納米薄片膜

納米通道在潮濕條件下的質(zhì)子輸運對于能量的儲存和轉(zhuǎn)換應(yīng)用至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的材料，包括Nafion膜，受到限制的電導(dǎo)率高達0.2 S/cm-1。中科院金屬所的任文才研究員團隊開發(fā)出一種由二維過渡金屬磷硫化物納米片組裝而成的薄膜，其中過渡金屬空位使離子電導(dǎo)率異常高。Cd0.85PS3Li0.15H0.15薄膜在90℃和98%相對濕度下質(zhì)子傳導(dǎo)率高達0.95 S/cm-1，且在低溫、低濕條件下仍能保持較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。這種性能主要來源于豐富的質(zhì)子供體中心、容易的質(zhì)子解吸以及鎘空位誘導(dǎo)膜的良好水化。研究還觀察到Cd0.85PS3Li0.3和Mn0.77PS3Li0.46膜具有超高的鋰離子電導(dǎo)率。相關(guān)研究以“CdPS3 nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies”為題目，發(fā)表在Science上。

DOI: 10.1126/science.abb9704

圖3 Cd0.85PS3Li0.3和Cd0.85PS3Li0.15H0.15納米片的合成與表征

Nature：金屬玻璃的應(yīng)變硬化和剪切帶抑制

應(yīng)變硬化是工程合金力學(xué)行為中最重要的現(xiàn)象，因為它保證了合金流動的非定域化，提高了拉伸延性，并抑制了災(zāi)難性的力學(xué)損商。金屬玻璃（MGs）缺乏工程合金的結(jié)晶度，而它們的一些特性如高屈服應(yīng)力和彈性應(yīng)變極限，相對于傳統(tǒng)合金有了很大的改善。MGs具有很高的斷裂韌性和已知的最高的“損傷容忍度”（為屈服應(yīng)力和斷裂韌性的乘積）。然而，由于MGs在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中表現(xiàn)為應(yīng)變軟化而不是應(yīng)變硬化，它的應(yīng)用很大程度上受到了限制，；這導(dǎo)致了塑性流動在剪切帶中的極端局部化，并與張力的早期拉伸受損有關(guān)。盡管MG以較高的冷卻速率將其能量提升到典型的玻璃形成，降低了其屈服應(yīng)力，這使應(yīng)變硬化成為可能，但目前尚不清楚是否可以在保持其玻璃狀結(jié)構(gòu)的同時在大塊樣品中實現(xiàn)。在此，中科院金屬所李毅研究員與劍橋大學(xué)的A. L. Greer教授合作證明了在室溫下三向壓縮下的塑性形變可以使大塊的MG樣品迅速恢復(fù)活力，從而通過一種以前在金屬狀態(tài)下沒有觀察到的機制使應(yīng)變硬化，展現(xiàn)出足夠強的應(yīng)變強化能力，這種轉(zhuǎn)變的行為抑制了正常單軸（拉伸或壓縮）試驗中大塊試樣的剪切帶的出現(xiàn)，阻止了力學(xué)損傷，并賦予MG更高的流動應(yīng)力。這種金屬玻璃在室溫下是穩(wěn)定的，并表現(xiàn)出特別優(yōu)異的應(yīng)變硬化，極大地增加了它們在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的潛在用途。相關(guān)研究以“Strain-hardening and suppression of shear-banding in rejuvenated bulk metallic glass”為題目，發(fā)表在Nature上。

文獻鏈接：DOI: 10.1038/s41586-020-2016-3

圖4 金屬玻璃態(tài)的誘導(dǎo)變化

Nature Materials：應(yīng)變氧化物鐵電體中的極化半子晶格

拓撲疇結(jié)構(gòu)具有拓撲保護性，可使數(shù)據(jù)得以長時間保存，在非易失性信息存儲方面具有重要應(yīng)用價值。然而，鐵電材料中的拓撲疇一般包含本體對稱性不允許的連續(xù)極化旋轉(zhuǎn)。如何突破鐵電極化與晶格應(yīng)變的相互制約，實現(xiàn)極化反轉(zhuǎn)與晶格應(yīng)變的有效調(diào)控，獲得應(yīng)用于超高密度信息存儲的結(jié)構(gòu)單元，是當(dāng)今鐵電材料領(lǐng)域面臨的一個基礎(chǔ)性科學(xué)難題。中科院金屬所朱銀蓮、馬秀良研究團隊在前期應(yīng)變調(diào)控方法的基礎(chǔ)上，通過像差校正電子顯微成像并結(jié)合相場模擬，使得半子結(jié)構(gòu)所特有的面外極化與面內(nèi)極化在同一空間呈現(xiàn)。在外延生長鈧酸釤（SmScO3）襯底上的超薄鈦酸鉛（PbTiO3）薄膜（5nm）中不僅發(fā)現(xiàn)面內(nèi)匯聚型和面內(nèi)發(fā)散型半子，而且發(fā)現(xiàn)反半子結(jié)構(gòu)，以及半子與反半子組合后發(fā)生湮滅所形成的拓撲荷為零的疇結(jié)構(gòu)。通過對像差校正顯微圖像中離子位移的定量分析，發(fā)現(xiàn)半子和反半子按照一定的規(guī)律形成晶格（會聚型半子形成8nm×8nm的二維周期性正方晶格）。相場模擬表明，形成半子晶格有利于降低體系的彈性能，從而使得包含半子晶格的模型比隨機分布的半子模型能量更低。該研究進一步完善了通過失配應(yīng)變調(diào)控鐵電材料疇結(jié)構(gòu)的重要性和有效性，揭示了極化體系中的電偶極子在一定條件下具有類似特殊凝聚結(jié)構(gòu)的準粒子行為，對探索基于鐵電材料的高密度非易失性信息存儲器件具有重要意義。相關(guān)研究以“Polar meron lattice in strained oxide ferroelectrics”為題目，發(fā)表在Nature Materials上。

DOI: 10.1038/s41563-020-0694-8

圖5 5nm PTO/SSO（001）pc薄膜的結(jié)構(gòu)表征和應(yīng)變分布圖

AM：二維超導(dǎo)Mo2C中超高濃度磁性摻雜以及宏觀尺度近藤效應(yīng)

取代摻雜為二維材料的性能調(diào)整提供了一種有效的策略，但如何實現(xiàn)可調(diào)均勻摻雜仍是一個開放的挑戰(zhàn)，特別是在高摻雜水平下。中科院金屬所康寧、潘明虎、任文才研究員等團隊進一步提出了多金屬基體CVD方法，采用Cu/Cr/Mo三層基底，生長出磁性原子Cr替代摻雜的二維Mo2C，并且通過改變Cr金屬層的厚度實現(xiàn)了對Cr摻雜濃度的大范圍有效調(diào)控。例如，在Cr層厚度為6 nm、12 nm、25 nm、50 nm和100 nm條件下，Cr替代摻雜比例分別為2.7、9.4、16.1、40.9和46.9%。磁性元素Cr摻雜的均勻性和摻雜濃度的大范圍可調(diào)性，為在宏觀尺度研究和調(diào)控二維Mo2C中超導(dǎo)和近藤效應(yīng)（Kondo Effect）之間的競爭提供了可能。在宏觀（介觀）電輸運實驗中觀察到了近藤效應(yīng)，而且在一定摻雜范圍內(nèi)，近藤溫度隨摻雜濃度的增加而升高。通過掃描隧穿顯微鏡/光譜分析，揭示了摻雜水平效應(yīng)對超導(dǎo)電性與近藤效應(yīng)相互作用和演化的機理。這項工作為廣泛摻雜可調(diào)的二維材料的合成開辟了新的途徑，并對二維極限下超導(dǎo)性和磁性的相互作用提供了新的認識。相關(guān)研究以“Superhigh Uniform Magnetic Cr Substitution in a 2D Mo2C Superconductor for a Macroscopic-Scale Kondo Effect”為題目，發(fā)表在AM上。

DOI: 10.1002/adma.202002825

圖6 在控制Cr濃度的條件下制備二維Cr摻雜Mo2C

AM：柔性碳納米管傳感-存儲器件

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，電荷耦合器件和數(shù)據(jù)存儲器件是兩個最不可缺少的部件。盡管在過去的三十年里在他們的發(fā)展中有快速和獨立的進展，一個在單單元水平上的感應(yīng)和記憶的協(xié)同功能對于柔性電子還不成熟。對于在超低功率條件下工作且存在壓力的可穿戴電子設(shè)備，傳統(tǒng)的感存系統(tǒng)靈敏度低，不能直接將感知到的信息轉(zhuǎn)換成足夠的內(nèi)存。中科院金屬所成會明院士、孫東明、Song Qiu、Zheng Han研究員展示了一種新的變革性裝置，叫做“感知存儲器”，它在一個單片集成電路中展示了感知和記憶的雙重功能。所述器件的有源通道由碳納米管薄膜形成，所述浮柵由用于光電編程的可控氧化鋁納米粒陣列形成。實現(xiàn)在0.4%彎曲應(yīng)變下器件讀寫與擦除之間的電流開關(guān)比高于105，存儲穩(wěn)定性超過108 s。同時，較薄氧化鋁隧穿層可使在擦除態(tài)“囚禁”于鋁納米晶浮柵中的載流子在獲得高于鋁功函數(shù)的光照能量時，通過直接隧穿方式重新返回溝道之中，使閉態(tài)電流獲得明顯的提升，完成光電信號的直接轉(zhuǎn)換與傳輸，實現(xiàn)集圖像傳感與信息存儲于一身的新型多功能光電傳感與存儲系統(tǒng)。相關(guān)研究以“A Flexible Carbon Nanotube Sen-Memory Device”為題目，發(fā)表在AM上。

DOI: 10.1002/adma.201907288

圖7 器件設(shè)計與表征

AM：超薄排列石墨烯納米片薄膜的超高電磁干擾屏蔽

超薄、輕量化、高強度、高屏蔽效能（SE）的熱導(dǎo)電磁干擾（EMI）屏蔽材料是下一代便攜、可穿戴電子產(chǎn)品的高度需求。石墨烯（Pristine graphene PG）具有滿足上述所有要求的巨大潛力，但PG納米片較差的加工性能阻礙了其應(yīng)用。中科院金屬所任文才研究員、成會明院士等人任報道了用掃描離心澆鑄法（SCC）高效合成高度對齊PG膜和仿貝殼PG/聚合物復(fù)合材料具有高達90 wt%的超高PG負載。由于PG -納米片對準誘導(dǎo)的高導(dǎo)電性和多次內(nèi)部反射，這類薄膜在極低厚度下表現(xiàn)出超高的EMI SE，可與報道的最佳合成材料MXene薄膜相媲美。PG膜在厚度≈100um時的EMI SE為93 dB，PG/聚亞胺復(fù)合膜在厚度≈60um時的EMI SE為63 dB。此外，這種PG納米片基膜的機械強度（高達145 MPa）和熱導(dǎo)率（高達190 W m?1 K?1）。這些優(yōu)良的綜合性能，加上易于批量生產(chǎn)，為PG納米片在電磁干擾屏蔽中的實際應(yīng)用鋪平了道路。相關(guān)研究以“Superhigh Electromagnetic Interference Shielding of Ultrathin Aligned Pristine Graphene Nanosheets Film”為題目，發(fā)表在AM上。

DOI: 10.1002/adma.201907411

圖8 用SCC合成高度排列的PG層壓膜

Advanced Science：納米雙相金屬玻璃薄膜提高新型多級納米結(jié)構(gòu)鎂合金強度與塑性

鎂（Mg）合金以其低密度的特點，是節(jié)能應(yīng)用的理想材料。然而，六邊形致密堆積（hcp）結(jié)構(gòu)中滑移體系的減少限制了鎂合金的延性。中科院金屬所呂堅院士及其合作者，在先前發(fā)現(xiàn)非晶包裹納米晶的超納雙相鎂合金可實現(xiàn)近理論強度的基礎(chǔ)上，以AZ31合金為研究對象，首先使用SMAT在鎂合金表面得到梯度納米晶，再通過磁控濺射在合金表面沉積Mg基雙相金屬玻璃薄膜（Mg基NDP-MG），創(chuàng)新性的將納米雙相金屬玻璃與梯度納米晶結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，設(shè)計出全新多級結(jié)構(gòu)鎂合金。研究結(jié)果表明，該合金屈服強度較原合金提升31%，達到230MPa，與SMAT鎂合金強度相當(dāng)；同時該合金的延伸率較SMAT鎂合金提升3倍，達到20%，恢復(fù)至未SMAT（粗晶）水平，從而實現(xiàn)了高強度與高塑性的有效結(jié)合。進一步研究發(fā)現(xiàn)，多級納米結(jié)構(gòu)鎂合金的優(yōu)異力學(xué)性能包括三種變形機制，包括：雙相金屬玻璃發(fā)生多重剪切帶與納米晶化，金屬玻璃阻擋納米晶層的裂紋延伸，以及SMAT納米晶層的晶粒長大。類似的新型納米結(jié)構(gòu)可以得到高強度高塑性銅。這一合金結(jié)構(gòu)設(shè)計理念有望在其他合金體系，特別是密排六方結(jié)構(gòu)合金中，實現(xiàn)高強度與高延伸性的結(jié)合，并指導(dǎo)未來新材料設(shè)計。相關(guān)研究以“Nano-Dual-Phase Metallic Glass Film Enhances Strength and Ductility of a Gradient Nanograined Magnesium Alloy”為題目，發(fā)表在Advanced Science上。

DOI: 10.1002/advs.202001480

圖9 Mg基NDP-MG的結(jié)構(gòu)與組成

Science Advances：具有高強度、高阻尼、高能量吸收效率的3D打印Mg-NiTi復(fù)合材料

同時提高金屬的強度和阻尼能力是很重要的，但仍然是一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，因為這兩種性能通常是相互排斥的。在這里，中科院金屬所李述軍、張哲峰研究員聯(lián)合加州大學(xué)伯克利分校Robert O. Ritchie教授等人提供了一種多設(shè)計策略來解決這一矛盾，通過將鎂熔體滲透到三維打印鎳鈦諾支架中，開發(fā)出具有雙連續(xù)互穿相結(jié)構(gòu)的鎂鎳鈦復(fù)合材料。該復(fù)合材料具有獨特的力學(xué)性能，在高溫環(huán)境下具有較高的強度、顯著的損傷容忍度、不同振幅下良好的阻尼能力以及特殊的能量吸收效率，這在鎂材料中是前所未有的。變形后的形狀和強度甚至可以通過熱處理得到很大程度的恢復(fù)。本研究為鎂的結(jié)構(gòu)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了一個新的前景。相關(guān)研究以“3D printed Mg-NiTi interpenetrating-phase composites with high strength, damping capacity, and energy absorption efficiency”為題目，發(fā)表在Science Advances上。

DOI: 10.1126/sciadv.aba5581

圖10 Mg-NiTi相復(fù)合材料的形成與三維結(jié)構(gòu)