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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

中國科學院金屬研究所（Institute of metal research， Chinese Academy of Sciences）創建于1953年；1982年，成立中國科學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“中國科學院金屬研究所”，進入中國科學院知識創新工程“東北高性能材料研究發展基地”。

中國科學院金屬研究所主要學科方向和研究領域包括納米尺度下超高性能材料的設計與制備、耐苛刻環境超級結構材料、金屬材料失效機理與防護技術、材料制備加工技術、基于計算的材料與工藝設計、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，供大家學習參考。

Science：具有極細晶粒的多晶銅的受約束的最小界面結構

金屬通常以多晶固體的形式存在，由于無序的晶界，多晶固體在熱力學上不穩定。當加熱時，通過粗化或當晶粒足夠小時，通過轉變為亞穩態，晶界往往被消除。通過實驗和分子動力學模擬，李秀艷研究員、盧柯研究員等人發現了極細晶粒的純多晶銅的一種不同類型的亞穩態。經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絡約束的三維最小界面結構。這種多晶結構是研究所說的施瓦茲晶體的基礎，即使在接近平衡熔點的情況下，它在晶粒粗化方面也很穩定。多晶樣品在理論值附近也表現出強度。相關研究以“Constrained minimal-interface structures in polycrystalline copper with extremely fine grains”為題目，發表在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材料的化學氣相沉積

在單層極限下識別二維層狀材料，發現了許多新的現象和不尋常的性質。中科院金屬所任文才研究員等人在非層狀氮化鉬的化學氣相沉積生長過程中引入單質硅，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的七層原子層構成，可以看作是夾在兩層Si-N雙膜層之間的MoN2層。發現單層MoSi2N4具有半導體性質（帶隙約1.94 eV）和優于MoS2的理論載流子遷移率，還表現出優于MoS2等單層半導體材料的力學強度和穩定性；并通過密度泛函理論計算預測出了十多種與單層MoSi2N4具有相同結構的二維層狀材料，包含不同帶隙的半導體、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。相關研究以“Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4 materials”為題目，發表在Science上。

DOI: 10.1126/science.abb7023

圖2 MoSi2N4的CVD生長

Science：具有高質子電導率CdPS3納米薄片膜

納米通道在潮濕條件下的質子輸運對于能量的儲存和轉換應用至關重要。然而，現有的材料，包括Nafion膜，受到限制的電導率高達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率異常高。Cd0.85PS3Li0.15H0.15薄膜在90℃和98%相對濕度下質子傳導率高達0.95 S/cm-1，且在低溫、低濕條件下仍能保持較高的質子傳導率。這種性能主要來源于豐富的質子供體中心、容易的質子解吸以及鎘空位誘導膜的良好水化。研究還觀察到Cd0.85PS3Li0.3和Mn0.77PS3Li0.46膜具有超高的鋰離子電導率。相關研究以“CdPS3 nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies”為題目，發表在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：金屬玻璃的應變硬化和剪切帶抑制

應變硬化是工程合金力學行為中最重要的現象，因為它保證了合金流動的非定域化，提高了拉伸延性，并抑制了災難性的力學損商。金屬玻璃（MGs）缺乏工程合金的結晶度，而它們的一些特性如高屈服應力和彈性應變極限，相對于傳統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”（為屈服應力和斷裂韌性的乘積）。然而，由于MGs在結構應用中表現為應變軟化而不是應變硬化，它的應用很大程度上受到了限制，；這導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。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，降低了其屈服應力，這使應變硬化成為可能，但目前尚不清楚是否可以在保持其玻璃狀結構的同時在大塊樣品中實現。在此，中科院金屬所李毅研究員與劍橋大學的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樣品迅速恢復活力，從而通過一種以前在金屬狀態下沒有觀察到的機制使應變硬化，展現出足夠強的應變強化能力，這種轉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，阻止了力學損傷，并賦予MG更高的流動應力。這種金屬玻璃在室溫下是穩定的，并表現出特別優異的應變硬化，極大地增加了它們在結構應用中的潛在用途。相關研究以“Strain-hardening and suppression of shear-banding in rejuvenated bulk metallic glass”為題目，發表在Nature上。

文獻鏈接：DOI: 10.1038/s41586-020-2016-3

圖4 金屬玻璃態的誘導變化

Nature Materials：應變氧化物鐵電體中的極化半子晶格

拓撲疇結構具有拓撲保護性，可使數據得以長時間保存，在非易失性信息存儲方面具有重要應用價值。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極化旋轉。如何突破鐵電極化與晶格應變的相互制約，實現極化反轉與晶格應變的有效調控，獲得應用于超高密度信息存儲的結構單元，是當今鐵電材料領域面臨的一個基礎性科學難題。中科院金屬所朱銀蓮、馬秀良研究團隊在前期應變調控方法的基礎上，通過像差校正電子顯微成像并結合相場模擬，使得半子結構所特有的面外極化與面內極化在同一空間呈現。在外延生長鈧酸釤（SmScO3）襯底上的超薄鈦酸鉛（PbTiO3）薄膜（5nm）中不僅發現面內匯聚型和面內發散型半子，而且發現反半子結構，以及半子與反半子組合后發生湮滅所形成的拓撲荷為零的疇結構。通過對像差校正顯微圖像中離子位移的定量分析，發現半子和反半子按照一定的規律形成晶格（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變調控鐵電材料疇結構的重要性和有效性，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構的準粒子行為，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。相關研究以“Polar meron lattice in strained oxide ferroelectrics”為題目，發表在Nature Materials上。

DOI: 10.1038/s41563-020-0694-8

圖5 5nm PTO/SSO（001）pc薄膜的結構表征和應變分布圖

AM：二維超導Mo2C中超高濃度磁性摻雜以及宏觀尺度近藤效應

取代摻雜為二維材料的性能調整提供了一種有效的策略，但如何實現可調均勻摻雜仍是一個開放的挑戰，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金屬層的厚度實現了對Cr摻雜濃度的大范圍有效調控。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性，為在宏觀尺度研究和調控二維Mo2C中超導和近藤效應（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，而且在一定摻雜范圍內，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對超導電性與近藤效應相互作用和演化的機理。這項工作為廣泛摻雜可調的二維材料的合成開辟了新的途徑，并對二維極限下超導性和磁性的相互作用提供了新的認識。相關研究以“Superhigh Uniform Magnetic Cr Substitution in a 2D Mo2C Superconductor for a Macroscopic-Scale Kondo Effect”為題目，發表在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

在現代電子系統中，電荷耦合器件和數據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展中有快速和獨立的進展，一個在單單元水平上的感應和記憶的協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備，傳統的感存系統靈敏度低，不能直接將感知到的信息轉換成足夠的內存。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。實現在0.4%彎曲應變下器件讀寫與擦除之間的電流開關比高于105，存儲穩定性超過108 s。同時，較薄氧化鋁隧穿層可使在擦除態“囚禁”于鋁納米晶浮柵中的載流子在獲得高于鋁功函數的光照能量時，通過直接隧穿方式重新返回溝道之中，使閉態電流獲得明顯的提升，完成光電信號的直接轉換與傳輸，實現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。相關研究以“A Flexible Carbon Nanotube Sen-Memory Device”為題目，發表在AM上。

DOI: 10.1002/adma.201907288

圖7 器件設計與表征

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）的熱導電磁干擾（EMI）屏蔽材料是下一代便攜、可穿戴電子產品的高度需求。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 -納米片對準誘導的高導電性和多次內部反射，這類薄膜在極低厚度下表現出超高的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）和熱導率（高達190 W m?1 K?1）。這些優良的綜合性能，加上易于批量生產，為PG納米片在電磁干擾屏蔽中的實際應用鋪平了道路。相關研究以“Superhigh Electromagnetic Interference Shielding of Ultrathin Aligned Pristine Graphene Nanosheets Film”為題目，發表在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構鎂合金強度與塑性

鎂（Mg）合金以其低密度的特點，是節能應用的理想材料。然而，六邊形致密堆積（hcp）結構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，在先前發現非晶包裹納米晶的超納雙相鎂合金可實現近理論強度的基礎上，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），創新性的將納米雙相金屬玻璃與梯度納米晶結構結合在一起，設計出全新多級結構鎂合金。研究結果表明，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；同時該合金的延伸率較SMAT鎂合金提升3倍，達到20%，恢復至未SMAT（粗晶）水平，從而實現了高強度與高塑性的有效結合。進一步研究發現，多級納米結構鎂合金的優異力學性能包括三種變形機制，包括：雙相金屬玻璃發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。類似的新型納米結構可以得到高強度高塑性銅。這一合金結構設計理念有望在其他合金體系，特別是密排六方結構合金中，實現高強度與高延伸性的結合，并指導未來新材料設計。相關研究以“Nano-Dual-Phase Metallic Glass Film Enhances Strength and Ductility of a Gradient Nanograined Magnesium Alloy”為題目，發表在Advanced Science上。

DOI: 10.1002/advs.202001480

圖9 Mg基NDP-MG的結構與組成

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，但仍然是一個關鍵的挑戰，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、張哲峰研究員聯合加州大學伯克利分校Robert O. Ritchie教授等人提供了一種多設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，開發出具有雙連續互穿相結構的鎂鎳鈦復合材料。該復合材料具有獨特的力學性能，在高溫環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。本研究為鎂的結構和生物醫學應用提供了一個新的前景。相關研究以“3D printed Mg-NiTi interpenetrating-phase composites with high strength, damping capacity, and energy absorption efficiency”為題目，發表在Science Advances上。

DOI: 10.1126/sciadv.aba5581

圖10 Mg-NiTi相復合材料的形成與三維結構