4篇Nature、Science、5篇AM、1篇Nature Materials 中科院金属所近期工作汇总！

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

金属所简介

中国科学院金属研究所（Institute of metal research， Chinese Academy of Sciences）创建于1953年；1982年，成立中国科学院金属腐蚀与防护研究所；1999年，原金属研究所与原金属腐蚀与防护研究所整合，成立新的“中国科学院金属研究所”，进入中国科学院知识创新工程“东北高性能材料研究发展基地”。

中国科学院金属研究所主要学科方向和研究领域包括纳米尺度下超高性能材料的设计与制备、耐苛刻环境超级结构材料、金属材料失效机理与防护技术、材料制备加工技术、基于计算的材料与工艺设计、新型能源材料与生物材料等。

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研究队伍

目前形成了以叶恒强、李依依、柯伟、卢柯、成会明院士为代表的研究团队，包括杰青20余人，优青6人，万人计划入选19人等。

近期科研成果

为大家精选10篇文章，供大家学习参考。

Science：具有极细晶粒的多晶铜的受约束的最小界面结构

金属通常以多晶固体的形式存在，由于无序的晶界，多晶固体在热力学上不稳定。当加热时，通过粗化或当晶粒足够小时，通过转变为亚稳态，晶界往往被消除。通过实验和分子动力学模拟，李秀艳研究员、卢柯研究员等人发现了极细晶粒的纯多晶铜的一种不同类型的亚稳态。经拉伸后晶粒尺寸减小到几个纳米，多晶的晶粒边界演化为受双边界网络约束的三维最小界面结构。这种多晶结构是研究所说的施瓦兹晶体的基础，即使在接近平衡熔点的情况下，它在晶粒粗化方面也很稳定。多晶样品在理论值附近也表现出强度。相关研究以“Constrained minimal-interface structures in polycrystalline copper with extremely fine grains”为题目，发表在Science上。

DOI: 10.1126/science.abe1267

图1 单个颗粒的高分辨率TEM图像与轴面二面体几何

Science：层状二维MoSi2N4材料的化学气相沉积

在单层极限下识别二维层状材料，发现了许多新的现象和不寻常的性质。中科院金属所任文才研究员等人在非层状氮化钼的化学气相沉积生长过程中引入单质硅，使其表面钝化，从而能够生长厘米级的MoSi2N4单层膜。该单层由N-Si-N-Mo-N-Si-N的七层原子层构成，可以看作是夹在两层Si-N双膜层之间的MoN2层。发现单层MoSi2N4具有半导体性质（带隙约1.94 eV）和优于MoS2的理论载流子迁移率，还表现出优于MoS2等单层半导体材料的力学强度和稳定性；并通过密度泛函理论计算预测出了十多种与单层MoSi2N4具有相同结构的二维层状材料，包含不同带隙的半导体、金属和磁性半金属等。该工作不仅开拓了全新的二维层状MoSi2N4材料家族，拓展了二维材料的物性和应用，而且开辟了制备全新二维范德华层状材料的研究方向，为获得更多新型二维材料提供了新思路。相关研究以“Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4 materials”为题目，发表在Science上。

DOI: 10.1126/science.abb7023

图2 MoSi2N4的CVD生长

Science：具有高质子电导率CdPS3纳米薄片膜

纳米通道在潮湿条件下的质子输运对于能量的储存和转换应用至关重要。然而，现有的材料，包括Nafion膜，受到限制的电导率高达0.2 S/cm-1。中科院金属所的任文才研究员团队开发出一种由二维过渡金属磷硫化物纳米片组装而成的薄膜，其中过渡金属空位使离子电导率异常高。Cd0.85PS3Li0.15H0.15薄膜在90℃和98%相对湿度下质子传导率高达0.95 S/cm-1，且在低温、低湿条件下仍能保持较高的质子传导率。这种性能主要来源于丰富的质子供体中心、容易的质子解吸以及镉空位诱导膜的良好水化。研究还观察到Cd0.85PS3Li0.3和Mn0.77PS3Li0.46膜具有超高的锂离子电导率。相关研究以“CdPS3 nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies”为题目，发表在Science上。

DOI: 10.1126/science.abb9704

图3 Cd0.85PS3Li0.3和Cd0.85PS3Li0.15H0.15纳米片的合成与表征

Nature：金属玻璃的应变硬化和剪切带抑制

应变硬化是工程合金力学行为中最重要的现象，因为它保证了合金流动的非定域化，提高了拉伸延性，并抑制了灾难性的力学损商。金属玻璃（MGs）缺乏工程合金的结晶度，而它们的一些特性如高屈服应力和弹性应变极限，相对于传统合金有了很大的改善。MGs具有很高的断裂韧性和已知的最高的“损伤容忍度”（为屈服应力和断裂韧性的乘积）。然而，由于MGs在结构应用中表现为应变软化而不是应变硬化，它的应用很大程度上受到了限制，；这导致了塑性流动在剪切带中的极端局部化，并与张力的早期拉伸受损有关。尽管MG以较高的冷却速率将其能量提升到典型的玻璃形成，降低了其屈服应力，这使应变硬化成为可能，但目前尚不清楚是否可以在保持其玻璃状结构的同时在大块样品中实现。在此，中科院金属所李毅研究员与剑桥大学的A. L. Greer教授合作证明了在室温下三向压缩下的塑性形变可以使大块的MG样品迅速恢复活力，从而通过一种以前在金属状态下没有观察到的机制使应变硬化，展现出足够强的应变强化能力，这种转变的行为抑制了正常单轴（拉伸或压缩）试验中大块试样的剪切带的出现，阻止了力学损伤，并赋予MG更高的流动应力。这种金属玻璃在室温下是稳定的，并表现出特别优异的应变硬化，极大地增加了它们在结构应用中的潜在用途。相关研究以“Strain-hardening and suppression of shear-banding in rejuvenated bulk metallic glass”为题目，发表在Nature上。

文献链接：DOI: 10.1038/s41586-020-2016-3

图4 金属玻璃态的诱导变化

Nature Materials：应变氧化物铁电体中的极化半子晶格

拓扑畴结构具有拓扑保护性，可使数据得以长时间保存，在非易失性信息存储方面具有重要应用价值。然而，铁电材料中的拓扑畴一般包含本体对称性不允许的连续极化旋转。如何突破铁电极化与晶格应变的相互制约，实现极化反转与晶格应变的有效调控，获得应用于超高密度信息存储的结构单元，是当今铁电材料领域面临的一个基础性科学难题。中科院金属所朱银莲、马秀良研究团队在前期应变调控方法的基础上，通过像差校正电子显微成像并结合相场模拟，使得半子结构所特有的面外极化与面内极化在同一空间呈现。在外延生长钪酸钐（SmScO3）衬底上的超薄钛酸铅（PbTiO3）薄膜（5nm）中不仅发现面内汇聚型和面内发散型半子，而且发现反半子结构，以及半子与反半子组合后发生湮灭所形成的拓扑荷为零的畴结构。通过对像差校正显微图像中离子位移的定量分析，发现半子和反半子按照一定的规律形成晶格（会聚型半子形成8nm×8nm的二维周期性正方晶格）。相场模拟表明，形成半子晶格有利于降低体系的弹性能，从而使得包含半子晶格的模型比随机分布的半子模型能量更低。该研究进一步完善了通过失配应变调控铁电材料畴结构的重要性和有效性，揭示了极化体系中的电偶极子在一定条件下具有类似特殊凝聚结构的准粒子行为，对探索基于铁电材料的高密度非易失性信息存储器件具有重要意义。相关研究以“Polar meron lattice in strained oxide ferroelectrics”为题目，发表在Nature Materials上。

DOI: 10.1038/s41563-020-0694-8

图5 5nm PTO/SSO（001）pc薄膜的结构表征和应变分布图

AM：二维超导Mo2C中超高浓度磁性掺杂以及宏观尺度近藤效应

取代掺杂为二维材料的性能调整提供了一种有效的策略，但如何实现可调均匀掺杂仍是一个开放的挑战，特别是在高掺杂水平下。中科院金属所康宁、潘明虎、任文才研究员等团队进一步提出了多金属基体CVD方法，采用Cu/Cr/Mo三层基底，生长出磁性原子Cr替代掺杂的二维Mo2C，并且通过改变Cr金属层的厚度实现了对Cr掺杂浓度的大范围有效调控。例如，在Cr层厚度为6 nm、12 nm、25 nm、50 nm和100 nm条件下，Cr替代掺杂比例分别为2.7、9.4、16.1、40.9和46.9%。磁性元素Cr掺杂的均匀性和掺杂浓度的大范围可调性，为在宏观尺度研究和调控二维Mo2C中超导和近藤效应（Kondo Effect）之间的竞争提供了可能。在宏观（介观）电输运实验中观察到了近藤效应，而且在一定掺杂范围内，近藤温度随掺杂浓度的增加而升高。通过扫描隧穿显微镜/光谱分析，揭示了掺杂水平效应对超导电性与近藤效应相互作用和演化的机理。这项工作为广泛掺杂可调的二维材料的合成开辟了新的途径，并对二维极限下超导性和磁性的相互作用提供了新的认识。相关研究以“Superhigh Uniform Magnetic Cr Substitution in a 2D Mo2C Superconductor for a Macroscopic-Scale Kondo Effect”为题目，发表在AM上。

DOI: 10.1002/adma.202002825

图6 在控制Cr浓度的条件下制备二维Cr掺杂Mo2C

AM：柔性碳纳米管传感-存储器件

在现代电子系统中，电荷耦合器件和数据存储器件是两个最不可缺少的部件。尽管在过去的三十年里在他们的发展中有快速和独立的进展，一个在单单元水平上的感应和记忆的协同功能对于柔性电子还不成熟。对于在超低功率条件下工作且存在压力的可穿戴电子设备，传统的感存系统灵敏度低，不能直接将感知到的信息转换成足够的内存。中科院金属所成会明院士、孙东明、Song Qiu、Zheng Han研究员展示了一种新的变革性装置，叫做“感知存储器”，它在一个单片集成电路中展示了感知和记忆的双重功能。所述器件的有源通道由碳纳米管薄膜形成，所述浮栅由用于光电编程的可控氧化铝纳米粒阵列形成。实现在0.4%弯曲应变下器件读写与擦除之间的电流开关比高于105，存储稳定性超过108 s。同时，较薄氧化铝隧穿层可使在擦除态“囚禁”于铝纳米晶浮栅中的载流子在获得高于铝功函数的光照能量时，通过直接隧穿方式重新返回沟道之中，使闭态电流获得明显的提升，完成光电信号的直接转换与传输，实现集图像传感与信息存储于一身的新型多功能光电传感与存储系统。相关研究以“A Flexible Carbon Nanotube Sen-Memory Device”为题目，发表在AM上。

DOI: 10.1002/adma.201907288

图7 器件设计与表征

AM：超薄排列石墨烯纳米片薄膜的超高电磁干扰屏蔽

超薄、轻量化、高强度、高屏蔽效能（SE）的热导电磁干扰（EMI）屏蔽材料是下一代便携、可穿戴电子产品的高度需求。石墨烯（Pristine graphene PG）具有满足上述所有要求的巨大潜力，但PG纳米片较差的加工性能阻碍了其应用。中科院金属所任文才研究员、成会明院士等人任报道了用扫描离心浇铸法（SCC）高效合成高度对齐PG膜和仿贝壳PG/聚合物复合材料具有高达90 wt%的超高PG负载。由于PG -纳米片对准诱导的高导电性和多次内部反射，这类薄膜在极低厚度下表现出超高的EMI SE，可与报道的最佳合成材料MXene薄膜相媲美。PG膜在厚度≈100um时的EMI SE为93 dB，PG/聚亚胺复合膜在厚度≈60um时的EMI SE为63 dB。此外，这种PG纳米片基膜的机械强度（高达145 MPa）和热导率（高达190 W m?1 K?1）。这些优良的综合性能，加上易于批量生产，为PG纳米片在电磁干扰屏蔽中的实际应用铺平了道路。相关研究以“Superhigh Electromagnetic Interference Shielding of Ultrathin Aligned Pristine Graphene Nanosheets Film”为题目，发表在AM上。

DOI: 10.1002/adma.201907411

图8 用SCC合成高度排列的PG层压膜

Advanced Science：纳米双相金属玻璃薄膜提高新型多级纳米结构镁合金强度与塑性

镁（Mg）合金以其低密度的特点，是节能应用的理想材料。然而，六边形致密堆积（hcp）结构中滑移体系的减少限制了镁合金的延性。中科院金属所吕坚院士及其合作者，在先前发现非晶包裹纳米晶的超纳双相镁合金可实现近理论强度的基础上，以AZ31合金为研究对象，首先使用SMAT在镁合金表面得到梯度纳米晶，再通过磁控溅射在合金表面沉积Mg基双相金属玻璃薄膜（Mg基NDP-MG），创新性的将纳米双相金属玻璃与梯度纳米晶结构结合在一起，设计出全新多级结构镁合金。研究结果表明，该合金屈服强度较原合金提升31%，达到230MPa，与SMAT镁合金强度相当；同时该合金的延伸率较SMAT镁合金提升3倍，达到20%，恢复至未SMAT（粗晶）水平，从而实现了高强度与高塑性的有效结合。进一步研究发现，多级纳米结构镁合金的优异力学性能包括三种变形机制，包括：双相金属玻璃发生多重剪切带与纳米晶化，金属玻璃阻挡纳米晶层的裂纹延伸，以及SMAT纳米晶层的晶粒长大。类似的新型纳米结构可以得到高强度高塑性铜。这一合金结构设计理念有望在其他合金体系，特别是密排六方结构合金中，实现高强度与高延伸性的结合，并指导未来新材料设计。相关研究以“Nano-Dual-Phase Metallic Glass Film Enhances Strength and Ductility of a Gradient Nanograined Magnesium Alloy”为题目，发表在Advanced Science上。

DOI: 10.1002/advs.202001480

图9 Mg基NDP-MG的结构与组成

Science Advances：具有高强度、高阻尼、高能量吸收效率的3D打印Mg-NiTi复合材料

同时提高金属的强度和阻尼能力是很重要的，但仍然是一个关键的挑战，因为这两种性能通常是相互排斥的。在这里，中科院金属所李述军、张哲峰研究员联合加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授等人提供了一种多设计策略来解决这一矛盾，通过将镁熔体渗透到三维打印镍钛诺支架中，开发出具有双连续互穿相结构的镁镍钛复合材料。该复合材料具有独特的力学性能，在高温环境下具有较高的强度、显著的损伤容忍度、不同振幅下良好的阻尼能力以及特殊的能量吸收效率，这在镁材料中是前所未有的。变形后的形状和强度甚至可以通过热处理得到很大程度的恢复。本研究为镁的结构和生物医学应用提供了一个新的前景。相关研究以“3D printed Mg-NiTi interpenetrating-phase composites with high strength, damping capacity, and energy absorption efficiency”为题目，发表在Science Advances上。

DOI: 10.1126/sciadv.aba5581

图10 Mg-NiTi相复合材料的形成与三维结构