【摘要】 近日，燕山大学、天津大学和北京工业大学分别在Nature发表最新研究成果！

近日，燕山大学、天津大学和北京工业大学分别在Nature发表最新研究成果！

 

燕山大学

在国家自然科学基金的支持下，燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室高压科学中心田永君院士团队与美国芝加哥大学王雁宾教授合作，在室温条件下实现了原子分辨的金刚石晶界结构转变和迁移过程的原位观测，揭示了金刚石非共格孪晶界(ITB)的结构特征、原子迁移和界面稳定化的微观机制。研究成果以“Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond”为题于2024年1月3日在线发表于《自然》杂志。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06908-6
纳米孪晶金刚石中{112}非共格孪晶界的结构转变。a，纳米孪晶金刚石中典型晶粒形貌；b-e，位错介导的界面结构转变。
业已证明，纳米孪晶化是协同提高材料强度和韧性的有效手段和策略。通常，在面心立方结构材料当中形成大量共格孪晶界的同时，不同取向孪晶之间将伴随着Σ3{112} ITB的形成。在金属材料中，这种ITB界面可长距离迁移，迁移速度在纳米尺度随孪晶厚度减小而迅速增大，诱发材料去孪晶化的发生，这也是纳米孪晶结构金属材料在小于临界孪晶厚度发生软化的关键机制。但是，纳米孪晶立方氮化硼和纳米孪晶金刚石在纳米尺度却持续硬化，这一点与金属材料完全不同。这表明共价材料中Σ3{112} ITB稳定性要明显高于金属材料。探明这种高稳定性的物理起源，对于理解纳米孪晶金刚石的持续硬化机制、发展高性能纳米孪晶结构材料具有重要的科学意义。
为此，研究人员使用球差校正扫描透射电子显微镜系统地研究了纳米孪晶金刚石Σ3{112} ITB的界面结构，并借助电子辐照荷电效应所产生的机械应力，原位记录了室温下ITB界面的结构转变和迁移的动态过程。实验发现：纳米孪晶金刚石中的Σ3{112} ITB呈现6种构型，其中3种为镜面对称，3种为非镜面对称；镜面对称构型可以进行长距离快速迁移，与金属材料类似；而非镜面对称构型则以剪切耦合模式进行短距离迁移；在应力作用下，虽然不同构型的ITB可以通过位错介导机制相互转变，但非对称构型与对称构型之间转变的势垒较高；纳米孪晶金刚石中Σ3{112} ITB主要以低能量、低迁移率的非对称构型存在，即便在孪晶厚度低至约1 nm时依然如此，从而导致了纳米孪晶金刚石的持续硬化行为。结合旋进电子衍射和分子动力学模拟结果，研究人员发现界面结构转变所需的激活应力接近于金刚石中全位错启动所需的临界剪切应力，从而揭示了纳米孪晶金刚石中Σ3{112} ITB高稳定性的结构起源。
这项工作不仅揭示了晶界的构型、相变和迁移与材料化学键类型的关联，而且还加深了人们对纳米孪晶金刚石持续硬化行为的理解。该工作得到国家自然科学基金(U20A20238, 52288102, 52090020, 91963203)、国家重点研发计划(2018YFA0703400, 2018YFA0305904)、河北省自然科学基金(E2022203109）等项目的资助。仝柯博士后、张祥和李子鹤博士为共同第一作者，胡文涛研究员、徐波教授和田永君院士为共同通讯作者。（编辑 褚玉晶）

天津大学

由于石墨烯缺乏固有带隙，半导体石墨烯在石墨烯纳米电子学中起着重要的作用。在过去的二十年中，通过量子限制或化学官能化来改变带隙的尝试都未能产生可行的半导体石墨烯。
2024年1月3日，天津大学马雷及Walt A. de Heer共同通讯（赵健，纪佩璇，李雅奇和李睿为共同第一作者）在Nature 在线发表题为“Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide”的研究论文，该研究发现单晶硅衬底上的半导体外延石墨烯(SEG)具有0.6 eV的带隙和超过5000 cm2 V−1 s−1的室温迁移率，是硅的10倍，是其他二维半导体的20倍。众所周知，当硅从碳化硅晶体表面蒸发时，富含碳的表面结晶生成石墨烯多层。
在SiC的硅端面上形成的第一石墨层是部分共价键合到SiC表面的绝缘石墨烯层。该缓冲层的光谱测量显示出半导体特征，但由于无序，该层的可迁移性受到限制。该研究展示了一种准平衡退火方法，可以在宏观原子上产生SEG(即有序的缓冲层)。SEG晶格与SiC衬底对齐。它具有化学、机械和热稳定性，可以使用传统的半导体制造技术进行图像化和无缝连接到半导体外延石墨烯。这些基本特性使SEG适用于纳米电子学。

北京工业大学

2024年1月4日，国际高水平期刊《Nature》刊发了北京工业大学材料科学与工程学院韩晓东教授团队研究成果《Negative mixing enthalpy solid solutionsdeliver high strength and ductility》。这是北工大以第一完成单位在《Nature》上发表的首篇论文，标志着学校在高强韧合金设计与原子尺度强韧化机理方面取得重要科研进展。北京工业大学助理研究员安子冰为第一作者，韩晓东教授、毛圣成研究员为共同通讯作者。
来源｜燕山大学、天津大学、北京工业大学