研究發現位錯是可用來有效調控材料物理特性的新組元

2021-01-15 科學網

 

中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室馬秀良研究員、朱銀蓮研究員、唐雲龍博士、劉穎博士和王宇佳博士等人組成的材料界面電子顯微學研究團隊，利用高通量脈衝雷射沉積技術，通過調控異質界面位錯的柏氏矢量，成功構築出具有巨大線性應變梯度、超低彈性能以及特殊物理特性的功能氧化物納米結構。2017年6月30日，英國《自然·通訊》(Nature Communications)期刊在線發表了該項研究成果。

應變(尤其是非均勻應變)能夠對特定材料結構實施梯度化調節，從而調控甚至誘導產生母體材料所不具備的全新物理特性。但是，非均勻彈性應變通常很難集成在特定器件上，其主要困難在於由非均勻彈性應變產生的「向錯」具有非常高的應變能，難以穩定存在。如何突破「向錯」應變的能量壁壘，實現對非均勻彈性應變在材料元器件中的有效調控，進而製備具有大範圍響應特性的梯度功能材料，是當今先進功能材料領域面臨的一個重大基礎性科學難題。

金屬所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室的固體原子像界面結構研究團隊長期致力於材料基礎科學問題的電子顯微學研究，經過多年的學術積累，在解決上述基礎科學難題方面近來取得突破。他們在利用脈衝雷射沉積技術生長氧化物異質界面過程中，採用高通量模式，使BiFeO3/LaAlO3(001)界面產生新奇的、具有面外分量的a[011]刃型位錯陣列。像差校正電子顯微分析表明，這種新型位錯陣列具有晶格旋轉效應（類似彈性彎曲變形），使BiFeO3納米結構中產生高達106/m的線性應變梯度。這種巨大的線性應變梯度通過彎電效應產生了數兆伏/m的內建電場（與傳統半導體p-n結或肖特基結的內電場相當），同時也大幅度拓寬了BiFeO3納米結構的可見光吸收範圍。這表明巨大的線性應變梯度可實現對帶隙的連續調控，進而影響光電響應特性，增強其光催化特性等。

該項研究結果顯示，「向錯」的彈性能隨尺度的變化具有很強的非線性特徵，體現出巨大的尺寸效應。理論計算表明在納米尺度的BiFeO3/LaAlO3體系中，即便其彈性應變梯度超過106/m，該體系的彈性能低至不及均勻應變下彈性能的十分之一，甚至低於界面失配位錯陣列本身的能量。

位錯是材料科學中的核心概念之一。該項工作改變了人們對功能材料中有關位錯作用的傳統認識：位錯未必是一定導致某些物理特性降低的結構缺陷，而是能被用來有效調控甚至產生優異物理特性的新組元。該項研究提供了如何利用位錯的特性構築具有連續帶隙變化的梯度功能材料的概念、原理及方法。

該項研究得到了國家自然科學基金、中國科學院前沿科學重點研究項目、科技部973計劃以及金屬所葛庭燧獎研金等項目資助。（來源：科學網 唐雲龍）

相關焦點

  • 我國學者在金屬材料研究領域獲新發現
    我國學者在金屬材料研究領域獲新發現
  • 《科學》:我國學者金屬材料研究獲新發現
    > 《科學》：我國學者金屬材料研究獲新發現
  • 徐志平等揭示二維材料奇異力學特性中的拓撲與幾何效應
    這一發現為低維材料的力學表徵以及利用缺陷對低維材料特性進行調控提供了新的理解和設計參考。　　石墨烯作為單原子層厚度的二維材料，具有獨特的機械、電、光等性質。與三維體相材料相比，空位、摻雜、位錯等缺陷對於二維材料性質的影響更為顯著。受到單晶石墨實驗製備手段的限制，石墨烯晶粒尺度大小目前最高僅可達到釐米量級，因此宏觀尺度的石墨烯連續薄膜往往有著多晶的微觀結構。
  • 新型二維材料物理研究取得新進展
    該工作利用能產生百萬大氣壓（接近地心壓強）的金剛石對頂砧技術，對層間強耦合二維範德瓦爾斯異質結這一類新型信息材料實現了高效物性調控，系統地研究了二維異質結的層間激子發光、電子能帶結構等物理特性隨壓強變化的響應。電子科技大學夏娟研究員為第一作者，夏娟研究員和王曾暉教授為共同通訊作者。合作者還包括南京工業大學、南洋理工大學等單位的研究人員。
  • 物理所二維材料構築超短溝道電晶體研究獲進展
    傳統矽基場效應電晶體要求溝道厚度小於溝道長度的1/3，以有效避免短溝道效應。但受傳統半導體材料限制，溝道厚度不能持續減小。近年來，利用二維半導體材料來構造短溝道電晶體器件已經成為一個前沿探索的熱點課題。二維材料因其達到物理極限的厚度成為一種構造超短溝道電晶體的潛在材料，理論上可以有效降低短溝道效應。但構造一個真正的三端亞5納米短溝道場效應電晶體器件來有效避免短溝道效應，還存在技術上的挑戰。
  • 西南交大頂刊論文：位錯-晶界交互作用的三維離散位錯動力學模擬
    晶界對多晶材料的塑性變形有重要影響，尤其是當材料的尺寸達到微米/納米級別。不同的位錯-晶界交互作用機制往往會導致不同的塑性變形特徵。由於晶界類型的多樣性以及晶界結構的複雜性，位錯與晶界的相互作用有多種形式，包括位錯穿透晶界、位錯被晶界吸收、位錯從晶界處反射或發射等。
  • 西南交大頂刊論文:位錯-晶界交互作用的三維離散位錯動力學模擬
    晶界對多晶材料的塑性變形有重要影響，尤其是當材料的尺寸達到微米/納米級別。不同的位錯-晶界交互作用機制往往會導致不同的塑性變形特徵。由於晶界類型的多樣性以及晶界結構的複雜性，位錯與晶界的相互作用有多種形式，包括位錯穿透晶界、位錯被晶界吸收、位錯從晶界處反射或發射等。
  • 研究發現錳離子摻雜鈣鈦礦單晶螢光動力學調控機理
    近日，中國科學院大連化學物理研究所超快時間分辨光譜與動力學研究組（1110組）研究員金盛燁團隊在正二價錳離子（Mn2+）摻雜的單一CsPbCl3鈣鈦礦微晶中，通過改變激發條件，成功實現了連續、可逆、寬範圍、高穩定性的發光顏色調控，發現錳離子摻雜鈣鈦礦單晶螢光動力學調控機理。
  • 金屬所面心立方晶體疲勞位錯組態形成規律研究取得進展
    從2005年開始，中科院金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室材料疲勞與斷裂研究部張哲峰研究員和李鵬博士(600804,股吧)在綜合分析前人大量研究成果的基礎上，針對其中的薄弱環節展開補充實驗工作，進一步完善了FCC晶體的研究體系。
  • 物理所拓撲絕緣體材料生長調控和輸運性質研究獲系列進展
    最近三年來，三維拓撲絕緣體的研究在世界範圍內取得了飛速進展，並成為凝聚態物理研究中的一個爆發性熱點領域。拓撲絕緣體是一類具有非平庸的拓撲對稱性(Z2)的材料，其內部絕緣，但在表面上存在著一種無能隙的、線性色散並且自旋與動量鎖定的特殊電子態。這種新的量子物質態被預言可以產生出許多新奇的準粒子和物理效應，如磁單極、Majorana費米子和量子化的反常霍爾效應等。
  • 金屬晶體材料疲勞損傷界面效應研究
    ，從上世紀90年代初開始，在王中光研究員的帶領下，中國科學院金屬研究所材料疲勞與斷裂國家重點實驗室集中開展了雙滑移和多滑移取向銅單晶體、雙晶體和三晶體材料的疲勞損傷研究，系統地解釋了晶體學取向和晶界在循環變形與疲勞損傷過程中的作用，特別是系統地研究了具有單、雙和多滑移組元晶體取向的平行、垂直和傾斜晶界銅雙晶體和三晶體的循環應力-應變響應、循環飽和位錯組態、駐留滑移帶與晶界的交互作用、沿晶和穿晶疲勞開裂機理以及疲勞壽命
  • 先進熱電材料與器件設計的研究進展
    研究背景近年來，不可再生能源的過度消耗和因此造成的日益嚴重的環境問題已經引起世界上廣泛的關注。為了緩解未來可能出現的能源危機和環境汙染，探索生態友好型可持續新能源與新技術至關重要。熱電材料及器件能夠實現熱能和電能之間的直接轉換，因此在回收廢熱節約能源以及中小規模製冷方面具有無可比擬的優越性。熱電材料與器件設計是熱電研究領域的重要課題。
  • 上海光機所氧化銦錫薄膜光電特性調控技術研究獲進展
    近期，中國科學院上海光學精密機械研究所薄膜光學實驗室在調控氧化銦錫（ITO）薄膜光電特性研究中取得進展，利用高效、可選擇性的準連續（QCW）雷射退火技術對ITO薄膜載流子進行調控，在基本不改變ITO薄膜導電特性的前提下，實現ITO薄膜近紅外波段透過率的顯著提升。
  • 物理所氧化亞銅新能源材料研究獲進展
    氧化亞銅（Cu2O）是一種性能優異的半導體材料，它具有2.1eV（590nm）的直接帯隙以及很高的可見光吸收係數，再加上它具有無毒、低價、原料豐富等優點，已成為太陽能轉化與利用研究領域的重要材料。理論預計基於Cu2O的太陽能電池效率可達20%，通過摻雜引入合適的中間帶（intermediate band）後，其光電轉換效率的理論極限可進一步提高到~60%。同時，Cu2O具有光催化活性，可以直接利用可見光來催化水的裂解產生氫氣。
  • 超高強韌硬質合金研究新進展
    然而，可穩定WC/Co相界和WC/WC晶界的因素及穩定化調控機制缺乏準確認識，低能界面的形成及其演變機理尚無共識。 ■ 通過對硬質合金室溫和高溫下力學行為及其微觀機制的研究可加深對服役過程強韌化機理的理解，從而指導高性能硬質合金的設計製備。
  • 頂尖期刊論文：小尺寸範圍位錯與塑性變形的關係
    此外，由於複雜的物理機制（包括在線性外部應力場作用下的位錯堆積以及經受不同解析剪切應力場的滑移系相互作用），微絲在扭轉下具有挑戰性。來自卡爾斯魯厄理工學院的一項研究中，通過基於均質機理的位錯源模型擴展了三維晶體塑性連續公式，這使得能夠在扭轉下對<1 0 0>取向的單晶微絲的位錯微結構演化進行分析。
  • 新技術帶來新物理:超導-鐵磁絕緣態相變的電場調控-附文小剛導讀
    施加電壓的確可以進行連續實時（甚至是高速的）調製，但它可導致的調製範圍十分有限，且無法影響材料的內稟性質，從而阻礙了這類調製的進一步全新的應用。多年來，材料科學家一直夢想對材料的電子濃度進行連續實時高強度調製，這種調製甚至可以導致量子相變。這將打開材料應用的一個新世界。
  • 北京大學:金屬材料屈服強度新理論!擴展經典Hall-Petch公式範圍
    導讀：細晶強化是金屬材料的一個常見特性，可由著名的Hall-Petch關係描述，但是其有一定適用範圍。本文將經典Hall-Petch關係的適用範圍擴展至小尺寸樣品，最終建立了描述宏-微觀尺度晶體金屬樣品屈服強度隨尺寸變化的統一模型。
  • 表面微觀結構調控介孔孔道研究
    固體表面有序納米結構對與其接觸的外界微觀物質的智能化調控正成為納米技術、物理、化學、生物等多學科交叉的一個最新的研究領域。 最近，路慶華教授課題組在探索表面微觀結構調控介孔孔道方面有重大突破。該研究成果被最新一期《美國化學會志》（JACS）以快訊方式發表（DOI: 10.1021/ja8003254），該雜誌是化學領域最知名的雜誌。
  • 科學家發現調控石墨烯的帶隙新方法
    /380723.htm　　近日，由哥倫比亞大學領導的國際研究團隊已經開發出一種新技術，通過壓縮操縱石墨烯的電導率，使石墨烯材料更接近於成為當今電子器件中可用的半導體材料。，我們不知道如何有效地調控它。我們的工作首次確立了在不影響其質量的情況下，實現了對石墨烯帶隙的有效調控。 如果將該項技術應用於其它有趣的二維材料的組合，有可能會導致新的發現，如磁性，超導性等。　　自十多年前首次被人們發現以來，石墨烯證明了而且材料可以在宏觀條件下穩定存在。石墨烯是一種二維(2D)材料，由六邊形碳原子組成，這種不尋常的電子特性激發了物理學界的興趣。 石墨烯是已知存在的強度最強、厚度最薄的材料。