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机械工程学会摩擦学分会 固体润滑国家重点实验室 摩擦学学报
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中山大学吕树申/陈楷炫ChemPhysChem: 基于第一性原理的高陈数量子反常霍尔绝缘体Mn2Bi2O6及其与BN耦合的多层异质结构研究 2025-06-05 【研究背景】 量子霍尔效应（QHE）中无耗散的边缘态为降低电子器件中的能耗提供了一条有前景的途径。然而，QHE需要强外部磁场和极低的工作温度，这限制了其实用性。1988年，Haldane提出了一种机制，即在没有外部磁场的情况下，通过量子反常霍尔效应（QAHE）实现。磁性拓扑材料结合了磁性和拓扑特性，是实现QAHE的理想平台。这种效应通常在打破时间反转对称性的材料中观察到，其中系统的磁矩和自旋-轨道耦合（SOC）之间的相互作用导致非平凡的拓扑电子结构。这类材料以其手性无耗散边缘态为特征，为高速低能耗自旋电子器件铺平了道路。在实验中，QAHE通常通过在三维拓扑绝缘体中掺杂磁性元素实现长程铁磁（FM）序。然而，这种方法需要在极低温度下实现。另一种方法涉及利用磁性接近效应，通过构建磁性材料与拓扑绝缘体之间的异质结来诱导QAHE。这种方法通过磁性层与拓扑绝缘体表面态之间的相互作用打开磁隙。然而，磁序与拓扑态之间的相互作用在结构上较弱且对界面性质高度敏感，导致实验进展缓慢。成功实现的磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4展示了实现多种奇异量子态的潜力，然而QAHE在实验实现过程中温度仍然较低。近年来，本征二维磁性拓扑材料在理论计算领域被广泛准确预测。在本研究中，我们基于实验上已合成的Ru2SrO6结构，采用第一性原理计算方法实现了类似结构的二维单层Mn2Bi2O6，并证明其是热力学和动力学稳定的，考虑面外铁磁的能带特性，进一步研究了它的电子结构，磁性，拓扑性质，进一步探索丰富了未来低能耗电子期间的潜在候选者。 ; 【工作介绍】 ; 近日，中山大学吕树申教授和陈楷炫副教授等人利用第一性原理计算方法，提出了一种新型二维铁磁单层材料Mn2Bi2O6，并系统地研究了该体系的晶体结构，电子结构，磁性和拓扑性质。基于第一性原理计算，研究表明二维Mn2Bi2O6层材料在自旋轨道耦合（SOC）作用下可实现高达110 meV的非平庸能隙，基于蒙特卡洛模拟得到的居里温度为285K，并伴随陈数为3的量子反常霍尔态，意味着该体系具有三个本征手性边缘态。进一步构建由hBN作为间隔层的三层异质结构Mn₂Bi₂O₆/BN/Mn₂Bi₂O₆后，体系的总陈数提升至6，同时带隙也进一步扩大至117.4 meV，意味着对外界具有更好的抗干扰性能。此外，研究还尝试构建Mn2Bi2O6的Janus结构Mn₂Bi₂O₃Te₃，发现该调控方式会导致拓扑态和陈数发生转变，陈数为1。这一工作不仅引入了新的磁性拓扑候选材料，扩展了QAHE材料的种类，还为低功耗电子设备和拓扑量子计算实现建立了新的候选平台。该文章发表在物理化学领域专业期刊ChemPhysChem（2025, e2500161,;DOI: 10.1002/cphc.202500161），中山大学硕士生胡佳明为本文第一作者。 【内容表述】 ; 计算方法 所有电子、自旋磁性及拓扑性质的计算均采用Vienna Ab-initio Simulation Package（VASP）程序，使用投影增强赝势方法和Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函近似。为了准确描述过渡金属Mn的电子性质，采用了GGA+U方法，有效库仑作用参数U值设定为4.0 eV，依据已有文献。为减少周期性结构间的相互作用，引入了20 Å的真空层。平面波能量截断设置为500 eV。结构弛豫的优化标准是每个原子的Hellmann–Feynman力小于0.02 eV·Å⁻¹，且连续电子步之间的能量变化小于10⁻⁶ eV。k点采样采用12 × 12 × 1的Γ点居中Monkhorst-Pack网格。在多层体系中考虑范德瓦尔斯相互作用时，采用Grimme的DFT-D2方法。声子谱通phonopy程序计算，采用了2 × 2 × 1的超胞。分子动力学模拟在300 K恒温条件下进行，总时长为4 ps，采用了2 × 2 × 1的超胞体系。Berry曲率与Chern数通过VASPBERY程序计算，边缘态与反常霍尔电导则使用Wannier90与WannierTools程序进行分析，并结合格林函数方法计算半无限体的拓扑性质。居里温度通过Monte Carlo方法估算，使用的是mcsolver程序实现。 ; 结果与讨论 图1：（a-b）单层Mn2Bi2O6的晶体结构。 (c-d)不考虑自旋轨道耦合（SOC）效应以及考虑SOC时的能带。（e）考虑SOC后Mn的轨道投影态密度。（f）考虑SOC后O的投影态密度。 图1展示了单层Mn2Bi2O6的晶体结构和电子性质。该结构呈蜂窝状晶格，以Bi，O，Mn，O，Bi顺序堆积，属于P31m空间群，具有绕z轴的C3反演对称性，由能带图可知不考虑SOC时为狄拉克半金属态，考虑SOC后打开了110meV的能隙，Mn的d轨道可以分为三组，分别为，（，）以及（，），O的p轨道分为和（，）。费米能级附近的贡献主要为Mn的（，）轨道与O的轨道的耦合贡献。; 图2：单层Mn2Bi2O6的拓扑性质（a）边缘电子态密度（b）倒空间的贝里曲率分布。（c）费米能级附近的量子化的导电平台。 图2显示了二维单层Mn2Bi2O6沿 (1 0 0) 方向的相应的半无限纳米带的拓扑性质计算结果，其中在Г(0, 0, 0) 点附近可以观察到一个手性边缘态，在X (0.5, 0, 0)点附近有两个边缘态，总共有三个边缘通道。在费米能级附近出现了量子化的导电平台，且反常霍尔电导由公式得到，结果也印证了，即陈数为3。贝里曲率沿布里渊区的高对称线内对称分布，在高对称点附近可以观察到非零值。陈数C是根据整个布里渊区的贝里曲率积分计算得出的，通过对布里渊区的非零贝里曲率积分，可以得到一个整数。 图3： Mn2Bi2O6/BN/Mn2Bi2O6结构示意图，电子和拓扑性质（a） 主视图（b）俯视图（c）能带（d）导电边缘态（e）量子反常霍尔电导（f）贝里曲率 ; 实验上，经常通过堆叠陈数为1的二维单层材料来实现更高的陈数，对于本身具有高陈数C=3的二维单层材料，堆叠后同样是否能实现更高陈数，实验上目前较少实现。基于第一性原理计算，本研究构造了Mn2Bi2O6/BN/Mn2Bi2O6异质结进一步探索拓扑性质。纯双层Mn2Bi2O6的基态为反铁磁态，并且铁磁态下能带的带隙非常小，为了进一步扩大体能隙，但拓扑导电边缘态仍然存在，我们在两个单层Mn2Bi2O6之间加入BN绝缘层来构建异质结构，该体系基态为铁磁态，并实现了117.4meV的能隙，大于室温能标。进一步的拓扑计算表明，该体系有六个手性导电边缘态，为单层材料的两倍，通过贝里曲率积分得到的陈数为 C = 6，量子反常霍尔电导在费米能级附近也显示出量子化的导电平台。 图4：二维单层Mn2Bi2O6的Janus结构电子和拓扑性质。（a）俯视图（b）主视图（c）Mn2Bi2O3Te3的能带（d）Mn2Bi2O3Te3导电边缘态（e）对应的量子反常霍尔电导（f）贝里曲率在倒空间的分布 ; 将S，Se，Te取代Mn2Bi2O6上层的三个O原子后的结构，如图4所示，主要研究对称性破缺后拓扑性质的变化。Janus结构Mn2Bi2O3S3存在三条手性边缘态，反常霍尔电导为，对应的陈数为3，与单层Mn2Bi2O6的拓扑性质相同。Janus结构Mn2Bi2O3Se3在能隙中则不存在手性边缘态，对应的反常霍尔电导为0，陈数为0，为普通的半导体。Mn2Bi2O3Te3的拓扑性质实现了3到1的转变，如图4（d-f）所示，边缘态的数目为1，量子反常霍尔电导在费米能级附近呈现出e2/h的导电平台，贝里曲率如图（f）所示，在布里渊区的积分得到陈数为1。这与单层Mn2Bi2O6相比，全局带隙为156.4meV（图c），实现了更大带隙陈数为1的量子反常霍尔系统。 ; 【结论】 我们基于第一性原理计算，提出并系统性地研究了一种高陈数量子反常霍尔绝缘体，二维Mn₂Bi₂O₆单层。单层Mn2Bi2O6表现出陈数C=3和显著的带隙（110 meV），使其成为在实验温度下实现量子反常霍尔效应的有前景候选材料。通过与hBN构建多层异质结构，陈数可进一步提升至C=6，同时带隙增强至117.4 meV，远大于室温能标。在Mn2Bi2O6中进行等同族元素掺杂能实现拓扑调控，实现C=3到C=1的陈数转变。这些发现扩展了可实现QAHE的材料体系，为低功耗电子器件、自旋电子学以及拓扑量子计算等未来应用铺平了道路。 ;
中南大学Appl. Phys. Rev.: 超低功耗不对称肖特基势垒晶体管 2025-06-05 研究背景： 视觉感知系统是生物与环境互动的基础，使其能够收集信息并产生生存和繁殖所必需的适应性反应。值得注意的是，选择性记忆和适应是最独特和最基本的视觉行为之一，是视觉系统有效运作的基础。在生物学上，生物神经网络可以同时感知、记忆和处理光信息，具有高效率，低能耗和高容错率等特点。然而，基于传统冯·诺依曼架构的固态硬件很难实现这些仿生视觉行为。目前，基于二维材料的光电晶体管已经证明了具有仿生视觉适应的能力，为下一代人工视觉系统奠定了基础。但仍有一些关键问题有待解决，如优化适应过程、提高记忆效率和最优化能耗。因此，从底层器件概念出发，需要进一步发展新型器件架构，以超越传统的人类视觉功能。 创新成果： 近日，中南大学物理学院蒋杰课题组在著名期刊Applied Physics Reviews上发表题为“Reconfigurable Graded Adaptive Asymmetry-Schottky-Barrier Phototransistor for Artificial Visual System with zJ-Energy Record”的研究性论文。该研究主要提出一种通过不对称肖特基势垒，实现超低功耗和高级仿生功能的不对称电极器件架构策略。这种肖特基势垒可以通过栅极或漏极偏置进行有效调节，从而调控MoS2沟道的载流子输运。由于采用了新的器件结构，不对称肖特基势垒晶体管可以模拟视觉选择性记忆行为，并表现出每个突触事件约90 zJ的超低能耗。更重要的是，有趣的视觉灵敏度和脱敏可以在该器件中模拟，从而实现分级适应行为。该研究为具有低能耗、环境自适应和动态视觉感知性能的自动驾驶汽车和环境交互机器人的未来发展提供了重要借鉴。 ;;;; 本文亮点： 要点一：提出新型不对称电极器件架构用于构建不对称肖特基势垒 基于创新性的不对称电极器件架构（源极采用Ni/Au、漏极采用Pd），我们成功在二维MoS2表面构建出差异化的不对称肖特基势垒结构——该设计通过不同功函数金属的精准匹配，在源/漏界面形成能带梯度，不仅显著抑制暗电流实现超低功耗，更高效驱动光生载流子定向分离以提升响应速度，并通过空间分辨光电流成像技术直接验证了势垒不对称性的物理机制。此外，这种独特的肖特基势垒界面能有效的捕获电荷，从而模拟生物记忆行为，同时在实现生物适应功能上也具有重要价值。 图1. 晶体管制备工艺和电学特性 图2. 不对称肖特基势垒晶体管的KPFM表征和能带原理图 ; 要点二：实现超低功耗和选择性视觉记忆模拟 基于不对称肖特基势垒的独特性能，该器件成功模拟了生物视觉的选择性记忆行为：在正偏置下突触记忆效果保持强度无关的稳定性，而负偏置下则呈现记忆衰减趋势，精准复现了生物系统对关键信息的筛选机制。同时，器件在正/负偏置下分别展现出线性和指数型的EPSC可重构调控特性，实现了神经形态计算的动态适应性。突破性的是，肖特基势垒结构使器件达到创纪录的90 zJ单突触功耗，为超低功耗神经形态视觉系统奠定了硬件基础。 图3. 超低功耗突触事件和视觉选择性记忆行为 要点三：实现可重构的分级适应行为 基于正负偏置下不对称肖特基势垒的动态调控特性，该器件成功实现了可重构的生物分级适应行为——在复杂环境中精准平衡感知灵敏度与识别准确度。更重要的是，通过光-电协同刺激策略，器件完整复现了生物视网膜的核心适应机制：包括毫秒级响应的快适应、持续调节的慢适应以及环境感知驱动的周围适应。这一突破不仅实证了选择性记忆与分级适应理论的可行性，更为开发仿生自适应视觉系统开辟了器件级实现新路径。 图4. 可重构的分级适应行为 图5. 光电协同的适应行为 结论： 总之，该研究通过构建不对称电极结构的肖特基势垒光电晶体管，实现了偏压极性/幅度对势垒特性的动态调控，成功模拟生物视觉系统的选择性记忆与分级适应行为：器件凭借肖特基势垒对暗电流的有效抑制及光生载流子分离效率的显著提升，创下单突触事件~90 zJ的超低能耗现有记录；借助偏置电压调控，光激发兴奋性突触后电流（EPSC）呈现线性/指数双模可重构特性，其中正偏压实现关键信息的长时记忆存储，负偏压诱导干扰信息的主动遗忘，精准复现生物视觉筛选机制；进一步通过调节偏置电压极性，在硬件层面实现了双通道负反馈调控的分级适应行为（动态平衡灵敏度/准确度）及脱敏-自恢复视觉适应功能。该工作为开发基于二维材料的可重构神经形态视觉芯片提供了新范式。 中南大学物理学院博士生宋泓霖为论文第一作者；中南大学物理学院蒋杰教授为通讯作者。特别感谢中南大学物理学院周瑜教授和钟绵增教授团队在器件表征方面的支持。
Nature：环氧胺固化碳纤维增强聚合物回收的乙酸解聚法 2025-06-05 一、 【科学背景】 ;; 碳纤维增强聚合物（CFRPs）在全球能源转型中被广泛应用于多个领域，包括飞机和车辆的轻量化、风力涡轮机叶片、集装箱和气体储存容器等。鉴于CFRPs的高成本和能源密集型制造过程，需要回收策略来回收完整的碳纤维和环氧胺树脂成分。在这里，本工作展示了醋酸可以有效地将CFRPs中使用的脂肪族和芳香族环氧胺热固性材料分解为可回收的单体，从而获得原始的碳纤维。这种方法具有成本效益，回收碳纤维的最低售价为每公斤1.50美元，而生命周期评估显示过程温室气体排放比原生碳纤维生产低约99%。总体而言，这种方法可以实现工业CFRPs的回收，因为它提供了清洁的、机械性能可靠的回收碳纤维以及从热固性材料中回收的树脂单体。来自美国的BOTTLE联盟和国家可再生能源实验室的可再生资源与使能科学中心，Katrina M. Knauer和Gregg T. Beckham为共同通讯作者，Ciaran W. Lahive, Stephen H. Dempsey为共同第一作者团队。相关研究成果以“IAcetolysis for epoxy-amine carbon fibre-reinforced polymer recycling”为题目，发表在国际顶级期刊Nature上。 ;;; 二、【科学贡献】 图1;.;脂肪族环氧胺热固性材料的乙酸解聚。© 2025;Nature 图2;脂肪族和芳香族环氧胺固化碳纤维增强聚合物的乙酸解聚。© 2025 Nature 图3;消费后材料的乙酸解聚反应。© 2025;Nature 图4;碳纤维增强聚合物（CFRP）乙酸解聚过程的工艺模型及经济与环境评估。© 2025;Nature; 三、【 创新点】 ; 1．提出了一种有效的环氧胺解聚方法，能够将脂肪族和芳香族环氧胺热固性材料高效分解为可回收的单体。在短短1小时内就能回收到原始纤维，为新应用提供了高质量、清洁的再生碳纤维。 通过初步放大实验，提供了材料用于展示再生碳纤维的循环性，制造出具有比钢和铝更高的比弯曲强度的分散热固性碳纤维复合材料面板，并且这种性能在两次回收代中得以保持。 进行了深入的过程建模，提供了经济和环境影响指标，通过LCA和TEA评估，研究为每种回收过程提供了经济可行性的视角。 四、【 科学启迪】 鉴于碳纤维增强聚合物的高成本和能源密集型制造过程，开发能够回收完整碳纤维和环氧胺树脂成分的回收策略显得尤为重要。碳纤维增强聚合物在全球能源转型的许多应用中被广泛使用，包括用于飞机和车辆的轻量化以及风力涡轮机叶片、集装箱和气体储存容器。本研究提出了一种有效的环氧胺解聚方法，用于回收可再利用的单体，同时提供高质量、清洁的再生碳纤维，以供新应用使用。模型交联材料被完全解构，使得在短短1小时内就能回收到原始纤维。乙酸解聚法在多种消费后和工业后材料上显示出有效性。初步放大实验提供了材料，用于展示再生碳纤维的循环性，作为具有比钢和铝更高的比弯曲强度的分散热固性碳纤维复合材料面板，并且这种性能在两次回收代中得以保持。深入的过程建模提供了经济和环境影响指标，该方法显示出巨大的潜力。 原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09067-y 本文由金爵供稿。
桂林电子科技大学俞兆喆携手深圳大学田冰冰、周雅清，南昌大学赵尚泉等提出了一种晶格扩展策略提高LZC离子电导率 2025-06-04 ;;; 【研究背景】 随着全球能源结构向可再生能源能源转型及“碳中和”目标的推进，开发高效、安全、可持续的储能技术成为了当下研究的热点，全固态电池因其固有的安全性和潜在的高能量密度在近年来备受关注。Li2ZrCl6（LZC）固态电解质因具有显著的成本效益成为了当下研究的热点。然而，LZC的室温离子电导率较低（0.2-0.5mS cm-1），这是由于LZC中锂离子与空位的比例约为2:1（Li2ZrCl6;→2Li++[ ZrCl62-]），锂空位的浓度较低，会限制锂离子间的协同迁移能力。另外，LZC的晶体结构也可能存在一些限制：1）由于锂离子的占据位点不连续，迁移路径中可能存在较高的能垒，导致锂离子在不同路径的迁移受限；2）LiCl65-与ZrCl62-框架的刚性较强，难以通过局部的晶格畸变降低迁移能垒。因此，LZC较低的离子电导率限制了其进一步发展。 ; 【文章简介】 近日，桂林电子科技大学俞兆喆携手深圳大学田冰冰、周雅清，南昌大学赵尚泉等提出了一种晶格扩展策略提高LZC离子电导率。将I-引入LZC的晶格，制备了一系列Li2ZrCl6-xIx（x=0-2）（LZCI）固态电解质，由于I-具有卤素元素中最高的极化率，可以诱导Li-I软亚晶格的形成，Li+与I-间呈现出弱键合的相互作用，有效降低Li+的迁移能垒。其次，I-具有更低的电负性与更大的离子半径，当I-引入后Li-I、Zr-I键的键能更弱，键长更长，晶格体积膨胀，在扩展的晶格中，提高了锂离子的扩散效率。结合分子动力学（AIMD）与键价位能（BVSE）计算，I-的引入扩展了Li+迁移路径，显著增强的ab平面方向的迁移，与c方向路径相互连接形成了更加立体的三维传输网络。同时测试了LZCI的电化学储能性能，与TiS2及LiCoO2正极构建的全固态电池具有优异的长循环稳定性以及倍率性能。本研究提出的晶格扩展策略为提高氯化物固态电解质离子电导率，为电解质晶格结构设计提供了一条简单可行的思路。该文章发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上，文章题目为：“Superionic conductivity in halide solid electrolyte enabled by lattice extension”。硕士研究生王昇为本文第一作者。 ; 【研究内容】 为探究Li+在LZC与LZCI电解质中的锂离子扩散行为以及结构变化，研究团队采用分子动力学计算（AIMD）模拟了Li+在两种体系中的扩散行为。其中LZC的离子电导率为4.13 mS·cm−1，活化能为0.24 eV。相比之下，LZCI的离子电导率提高了13.6 mS·cm−1，活化能降低至为0.21 eV。由Li+概率密度等值面分析表明，LZCI相较于LZC具有更加立体的三维传输网络和更宽广的Li+迁移路径。I-的引入增强了结构的无序化程度。 图1. LZC与LZCI的结构模拟图及其计算离子电导率、活化能。 XRD图谱显示LZC的特征峰左移，这是由于离子半径较大的I-引入了LZC的晶格。随着I-取代量的增加，电解质的非晶化程度不断增强。通过Rietveld精修手段进一步解析了LZCI的晶体结构。I-的引入，晶格参数a、b、c及单元体积均明显扩大。晶格扩展、位点紊乱和晶格畸变共同降低了锂离子的迁移能垒。 图2. ;LZCI的XRD图谱、精修图谱及其晶格结构模型。 I-的引入使得LZC的离子电导率显著提高，最大由0.26mS cm-1提高至1.06mS cm-1，这也与AIMD计算离子电导率的增大倍数一致。活化能由0.424eV下降至0.32eV。DRT分析得到体相和晶界特征时间常数曲线证明LZCI受温度变化影响较小，且响应时间更短。为了更加深入的理解LZC和LZCI中的锂离子传输机制，探究了I-引起的结构改变对锂离子迁移路径的影响。结果表明，在LZCI体系中，Li+在ab平面方向上的迁移显著增强，不仅迁移路径更加宽广，同时具有更多元化的迁移路径，构建了更加丰富的三维传输网络，同时锂离子的迁移能垒显著降低。这也与分子动力学计算结构一致，证明I-的引入不是简单的元素取代，而是彻底改变了能垒分布，使锂离子具有更加宽阔的三维渗透网络。 图3. ;电化学测试表征LZCI中的离子传输特性；键价位能分析显示了Li+在两种体系ab平面方向的迁移路径以及能垒图。 同时，研究团队使用TiS2正极材料构建全固态电池验证电解质的电化学储能性能。当活性物质占比70%时，LZCI构建的全固态电池具有更高的首次库仑效率，更卓越的长循环及倍率性能。当活性物质占比达到90%时，LZCI同样具有更优异的充放电性能。这可以归因于LZCI与TiS2混合后形成了更有效的离子和电子输运网络，I-的取代使得电解质内Li-I、Zr-I键的键长更长，得到更柔软更极化的晶格结构，使得电解质更易变性。复合正极与电解质界面的接触更好。而LZC体系下的复合正极在TiS2含量较高时，可能出现接触不良，导致复合正极内的电化学反应不均匀。局部的正极材料颗粒过充而发生电化学失效，从而在活性物质高比例占比的长循环下表现出更低的放电比容量及更大的过电位。 图4. ;LZC与LZCI固态电解质的电化学储能性能及高比例活性物质占比的循环测试 综上所述，本研究详细探讨了Li2ZrCl6-xIx体系中I元素的引入对晶体结构、锂离子输运以及电化学性能的影响。其中适量I-的引入并没有改变晶体的原有结构。由于I-具有较大的半径，使得材料的晶格得到扩展。结合AIMD与键价位能BVSE的模拟计算分析，I-的引入可以构建更加立体且宽广的三维锂离子传输网络。显著增强了电解质中锂离子在ab平面内的移动，降低了迁移能垒。其中Li2ZrCl5I的离子电导率为1.06mS cm-1，相较于Li2ZrCl6提高了4倍（0.26 mS cm-1）。同时，研究团队在全电池体系下评估了LZCI的电化学储能性能。LZCI与TiS2正极构建的全固态电池具有良好的首次库仑效率（97.01%）， 卓越的倍率性能与长循环稳定性（1C循环500圈容量保持率88%）。 并且当正极具有高比例活性物质（＞90%）时，同样具有良好的充放电及长循环性能。; 【文献详情】 Wang, Z. Yu, X. Huang, D. Xu, J. Zhu, J. He, K. Yu, S. Zhao, Y. Zhou, B. Tian, Superionic conductivity in halide solid electrolyte enabled by lattice extension, Chem. Eng. J. 516 (2025) 164028. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164028 【通信作者简介】 俞兆喆，博士，桂林电子科技大学教授，博士生导师，广西杰出青年基金获得者，广西高层次人才，广西中青年骨干教师，深圳大学项目特聘研究员，深圳市电源技术协会标准委员会委员。担任《中国化学快报》青年编委。荣获首届全国博士后创新创业大赛总决赛银奖，全国创新创业优秀博士后，第十七届广西青年科技奖，第三届广西卓越工程师奖。主持国家自然科学基金和广西科技项目10余项，以第一作者或通讯作者身份在Energy Storage Materials、Journal of;Energy Chemistry和Chemical Engineering Journal等期刊发表论文40余篇，获授权发明专利30余项。与广西新能源企业合作建成万吨级锂电关键材料产线，新增产值数十亿元，助力广西开辟新能源材料产业新领域，打造全国重要的电池材料产业基地。 田冰冰，博士，深圳大学长聘副教授，博士生导师。2008年于郑州大学获学士学位，2011年于华南理工大学获硕士学位，2014年于巴黎第六大学获博士学位。2015年起先后在深圳大学和新加坡国立大学从事博士后研究。2017年入职深圳大学并入选深圳市海外高层次人才计划和南山区领航人才计划。主要从事新能源材料与器件如锂离子电池，固态电解质及其固态锂电池等方面的研究。近年来，在国际化学化工、能源材料等领域发表SCI论文100多篇，以第一作者或通讯作者身份在Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy, Energy Storage Materials等期刊发表SCI论文50多篇。申请中国发明专利20多项，PCT专利6项。曾主持国家自然科学基金，广东省自然科学基金，深圳市科技计划，以及横向课题多项。 赵尚泉，博士，南昌大学副教授，硕士生导师，2014年于西安交通大获学士学位，2017年于中国工程物理研究院获硕士学位，2021年于厦门大学获博士学位。2021年入职南昌大学物理与材料学院。主要从事能源材料相关的第一性原理数值计算以及采用机器学习对材料的性能进行预测。近年以第一作者或通讯作者身份在Angewandte Chemie International Edition,;Journal of Power Source, ACS Applied Materials & Interfaces, 等期刊发表论文10余篇，申请国家发明专利3项，主持国家自然科学基金青年项目1项，江西省自然科学基金青年项目1项等课题。 周雅清，博士，2022年获得巴黎文理研究大学博士学位，2022年起先后在深圳大学、巴黎文理研究大学从事博士后研究。主要从事新能源器件研究与开发，聚焦固态电池、镁空气电池和钙钛矿电池研究。近年来以第一作者或通讯作者身份在Advanced Energy Materials, Journal of Magnesium and Alloys, Chemical Engineering Journal等期刊发表论文十余篇，主持广东省海外博后支持项目、欧洲研究与创新计划项目以及横向课题多项。 ; 【俞兆喆教授课题组博士后招聘】 博士后入站即可获得青年教师身份，前三年可获得综合资助超200万元。具体如下： 1.学校支持政策：年薪23万元（税前），另按规定缴纳社会保险、缴存住房公积金；博士后出站后按学校同级同类人员享受薪酬福利待遇； 2.广西自治区博士后支持政策：符合支持条件可享受自治区博士后专项经费资助，8万元/年（资助期2年）； 3.广西自治区“桂博新计划”：15万元/年，原则上资助期为两年； 4.国家“博新计划”：A档28万元/年，B档18万元/年，C档12万元/年，资助期为两年； 5.学校同步给予青年教师综合引进待遇60万元的支持； 6.职称政策：出站后可认定副高职称，入职3年内符合条件的可直接参评正高职称（按近五年业绩参评）；进入国家事业编制；提供学校周转房租住；安排子女入学入托等； 7.广西青苗人才普惠性支持政策（35周岁以下）：符合支持条件可享受科研启动经费资助，自然科学领域30万元/人。 ; 【田冰冰副教授课题组博士后招聘】 1.博士后综合年薪33万元以上。博士毕业于世界大学排名前150名高校或985高校，或者已发表中科院大类二区以上文章2篇（其中大类一区文章1篇）或中科院大类二区以上文章3篇，可以额外获得学校奖励性薪资4.8万元/年；另外，可同时享受学院科研、教研等高水平成果奖励； 博士毕业于世界排名前200的境外高校，可申请广东省海外博士后人才支持计划，年薪42万； 3.符合要求的优秀博士后可以通过“荔园留菁计划”直接申请教师岗位； 4.博士后在站期间可以独立以负责人身份申请各级科研项目； 5.符合条件的博士后可申请评定专业技术资格； 6.博士后进站，可自愿选择落户深圳市； 7.深圳市对出站6个月内来留深的博士后给予36万元生活补贴； 8.提供福利保障包括但不限于医疗服务、年度体检和就餐补贴等。 ;
日本长野信州大学Nat.Energy.：石墨烯包覆纳米多孔碳中高密度甲烷的常压储存 2025-06-04 日本长野信州大学Nat.Energy.：石墨烯包覆纳米多孔碳中高密度甲烷的常压储存 一、【科学背景】 在当今社会以及未来，甲烷（CH4）作为一种重要能源对人类社会发展将做出持续贡献，但低体积能量密度限制了人类对它的储存和利用。目前已知常用的储存方法主要为液化天然气（LNG）和压缩天然气（CNG）。但相关储存和运输需要使用昂贵的低温系统和隔热储存容器，并且甲烷不能在环境温度下液化，而必须在高压（约25 MPa）下作为压缩气体储存。当然，尽管它可以在中等压力（例如3.5 MPa）下储存在纳米多孔材料中，但这种“吸附天然气”方法可能会在温度略有升高的情况下发生大量解吸。幸运的是，吸附天然气（ANG）技术旨在通过在相对较低的压力下将CH4物理吸附到纳米孔中来应对这些挑战。 值得注意的是，ANG技术仍然面临着一些挑战。例如，CH4的物理吸附高度依赖于温度，这意味着ANG储存容器必须经过合理设计，以适应温度变化引起的巨大压力波动。此外，在ANG系统中，压力为3.5 MPa的CH4仍被归类为压缩气体，需要设计特殊的安全措施和具有高压额定值的储存容器。 二、【创新成果】 基于上述挑战，近期日本长野信州大学Isamu Moriguchi教授团队设计了一种石墨烯包覆的多孔碳材料，研究人员在高表面积碳（AC）上化学气相沉积石墨烯来合成石墨烯涂层碳，它能够在高压下充注CH4，并在常压和常温（低于318 K）下持续储存CH4，从而提高了储存安全性。研究数据表明，石墨烯起到了热控锁的作用，能够阻塞或激活孔隙以捕获或释放CH4，在298 K时实现了相当于19.9 MPa的压力负载，并在加热至473 K时释放。在考虑容器空间利用率的情况下，由此产生的可逆CH4容积容量达到142 v/v，超过了各种吸附天然气材料在3.5 MPa 和 298 K 时的容量。 图1石墨烯涂层碳材料的表征；© Springer Nature Limited 2025 研究人员设计了具有阻隔/活化功能的碳孔，多孔碳由具有化学活性边缘的石墨单元组成。当暴露于富含活性碳原子的环境中时，例如在CH4热解过程中，碳原子优先沉积在这些边缘上，形成石墨烯片，在环境温度下可以相互作用并阻碍纳米孔。加热后，石墨烯片弯曲运动的增加会激活孔隙。如图1所示，研究展示了碳边缘上的石墨烯生长模型，与分子动力学模拟得出的模型结构相对应。研究人员证明了石墨烯涂层碳的低密度优势，突显了石墨烯涂层下方存在孔隙，即使是氦气，在环境温度下也无法进入孔隙。拉曼光谱和XRD图案也证明了石墨烯涂层碳材料的成功制备。 图2 CH4储存/释放模型和CH4储存性能；© Springer Nature Limited 2025 随后，研究人员强调了孔入口处的石墨烯涂层能够通过温度调节实现对CH4的封装、储存和受控释放。如图2所示，研究发现，在环境温度下，石墨烯涂覆的孔仍然无法被CH4分子接触到。当加热至473 K、 与之接触的石墨烯层开始协同弯曲和变形，激活孔隙并允许CH4在高压下进入。随后将系统冷却至298 K实现CH4分子的捕获，其释放可以通过重新加热至473 K激活孔隙来实现。石墨烯包覆碳的孔活化/阻塞效应得到了温度依赖性透射电镜扫描观察的支持，298 K下，石墨烯组件呈现出连续无缝的边缘，相比之下，在473 K下，堵塞的孔被打开，但将温度降至298 K时，孔隙似乎重新被闭合，并且这一过程可以通过循环温度变化来重复。这些观察结果表明，温度调节控制着可逆的孔隙堵塞/活化机制。 图3 孔隙堵塞/活化的表征； © Springer Nature Limited 2025 如图3所示，通过一系列的结构表征，研究人员进一步探讨了温度变化对孔隙阻塞/活化的影响机制。拉曼光谱使微小石墨结构随温度的变化得以被研究。涂覆石墨烯的D和G波段频率峰更高，表明涂覆石墨烯材料有更高比例的有序结构。在XRD图中，涂层石墨烯的（002）峰应源自无序堆叠的石墨烯层。AC的（002）峰没有随着温度的升高而移动，而涂层石墨烯的峰则移动到了更低的角度，这表明在AC上生长的石墨烯层比石墨更具可膨胀性。后续研究表明，CH4的储存只发生在石墨烯涂层的碳中，与AC相反，在125分钟记录的CH4压力降至环境水平后，CH4的保留量证明了这一点。通过调节压力和温度，可以证明CH4的可逆包封和释放。 图4 石墨烯涂层碳中CH4储存性能的评估；© Springer Nature Limited 2025 如图4所示，研究发现，石墨烯包覆碳中CH4的储藏量随包覆温度的增加而减少，较低的包封温度不能为CH4提供足够的通道，而较高的包封温度不利于CH4在纳米孔中的物理吸附。涂覆在碳孔入口上的石墨烯具有温度驱动的孔堵塞效应，其坚固性随着化学气相沉积温度的升高而增加。研究人员检查了涂层石墨烯的坚固性对CH4存储性能的影响，结果发现，没有涂层石墨烯的多孔碳储存的CH4很少，这是因为在环境条件下，高压CH4很容易从可自由进入的孔隙中解吸。相反，用石墨烯涂层堵塞碳孔显著提高了CH4的储存能力。 该研究介绍了一种有效将CH4储存在石墨烯涂层碳中的新方法，开发了安全、高效、可循环的CH4存储新模式。文章以“Ambient pressure storage of high-density methane in nanoporous carbon coated with graphene”为题发表在国际顶级期刊Nature energy上，引起了相关领域研究人员热议。 三、【科学启迪】 综上所述，研究人员介绍了一种将CH4储存在石墨烯涂层碳中的新方法。该研究沉积的石墨烯覆盖了碳孔的入口以阻塞孔，并且在低于318 K的环境条件下足够坚固，可以保留大量的CH4。研究人员利用473 K低温余热活化碳材料，可以实现CH4释放。此外，常压储存CH4大大减轻了高压环境的安全隐患。该研究概述的方法为安全、高效和具有成本效益的CH4存储解决方案铺平了道路。 文献链接：Ambient pressure storage of high-density methane in nanoporous carbon coated with graphene，2025，https://doi.org/10.1038/s41560-025-01783-z） ; 本文由LWB供稿。
东华大学Small: 烧结形成双电层结构晶界实现耐1200°C高温氧化的高效电磁屏蔽陶瓷 2025-06-03 研究背景 电磁屏蔽材料在快速发展的航空航天领域中对于防止电子设备故障至关重要。然而，可回收火箭发动机等严苛工况要求屏蔽材料必须能在1000;°C以上的氧化环境中稳定工作数百甚至数千小时，这使得大多数传统电磁屏蔽材料无法满足需求。氧化物陶瓷虽然具有优异的稳定性，但介电损耗能力往往不足。因此，开发在高温氧化条件下具有稳定高效电磁屏蔽性能的材料仍是重大挑战。在氧化物陶瓷中通过人工设计实现偶极子极化是提升其电磁屏蔽效能的有效途径。在热力学平衡状态下，氧化物陶瓷的晶界结构可表征为双肖特基势垒—由带电核心与反向补偿空间电荷构成。受电容器效应的启发，晶界周围的双电层可视为纳米电容器，作为介电材料中有效的极化损耗机制。 近期，东华大学功能材料研究中心的江莞/范宇驰团队在高温电磁屏蔽材料领域再次取得新的突破。该团队在先前研究的具有高缺陷浓度的异价中熵钙钛矿陶瓷（2024，AM）的基础上,进一步开发了A位三元异价中熵钙钛矿陶瓷（Sr1/3Ba1/3La1/3）TiO3（简称SBL），为设计高温下应用的电磁屏蔽材料提供了新思路。通过制备具有高缺陷浓度的中熵钙钛矿陶瓷SBL，发现在烧结后空位簇倾向于在晶界处偏析，从而产生具有大势垒高度的双电层结构。独特的双电层结构晶界类似于超级电容器，大大增加了陶瓷的偶极子极化和极化损耗，从而使得钙钛矿陶瓷具有优异的电磁屏蔽性能，可以稳定到1200;℃。出乎意料的是，与其他钙钛矿陶瓷相比，SBL陶瓷在晶界上虽然具有更加高度集中的空位团簇等点缺陷，但却表现出更高的强度和韧性。这一创新的晶界设计策略，展示了如何在高温氧化条件下同时实现高电磁屏蔽效率与结构/热稳定性。 【研究成果】 相关研究成果以“Electric Double-Layer Structured Grain Boundaries in Medium-Entropy Perovskite Enable Robust Electromagnetic Interference Shielding after 1200;°C Oxidation”为题发表在Small。东华大学的博士研究生刘永平为论文的第一作者，东华大学范宇驰研究员，上海大学傅晴俏博士和北京科技大学戴付志教授为共同通讯作者。 ;;; ; 文章亮点 1、通过对比烧结前粉体和烧结后块体发现，即使在排除气孔的影响后，烧结后陶瓷块体的介电常数和介电损耗依旧远高于陶瓷粉体，这说明烧结后形成的晶界对介电常数和介电损耗有特殊的影响。 2、采用CL和EELS对烧结后的高缺陷中熵钙钛矿陶瓷的晶界结构进行了分析，发现其组成为----，类似于背靠背的双电层超级电容器结构。这种双电层结构的晶界增加了陶瓷的偶极子极化和极化损耗，导致了陶瓷大的复介电常数和介电损耗，从而导致在X波段的总电磁屏蔽效能高达32;dB以上，即使在1200;℃空气中退火后仍能保持稳定。 3、这种具有高水平空位偏析的独特晶界导致了SBL陶瓷的断裂方式为沿晶断裂，这不仅提高了其断裂韧性，还增强了其弯曲强度。该研究创新性地提出了一种兼具优异力学性能与电磁屏蔽功能的新型材料设计策略，其突出的环境耐受性使其在航空发动机及可回收火箭等极端工况下具有重要应用前景。 ; 图文导读 ; 图1中熵钙钛矿陶瓷的物相与结构。(a)传统与高缺陷中熵钙钛矿陶瓷烧结后晶界差异示意图。(b)随La含量增加的钙钛矿陶瓷XRD图谱。(c)SBL陶瓷随退火温度升高的XRD图谱。(d)SBL钙钛矿的HAADF-STEM图像及元素分布原子级EDS图谱。(e)SBL与SBC陶瓷中Ti空位和O空位浓度对比。 图2中熵钙钛矿陶瓷的介电性能与电磁屏蔽性能。(a-c)中熵钙钛矿粉体、陶瓷及理论块体材料的介电常数(ε')、介电损耗(ε'')及损耗角正切(tanδ)的频率依赖性。(d-e);SBC与SBL钙钛矿陶瓷在不同温度下测量的阻抗奈奎斯特图。(f);SBC和SBL陶瓷的晶界势垒高度。(g) X波段室温测量的中熵钙钛矿陶瓷电磁屏蔽效能。(h)不同温度退火处理后中熵钙钛矿陶瓷的电磁屏蔽效能。(i)各类氧化物陶瓷电磁屏蔽性能与电容特性的对比分析。 图3晶界空位偏析特性。(a)SBL陶瓷抛光表面SEM图像。(b)SBL陶瓷阴极发光(CL)特征，插图为带隙缺陷态发光过程的微观机制示意图。(c)SBL陶瓷CL光谱线扫描结果。(d)晶界区域的HAADF-STEM图像及O、Ti、Ba、La、Sr元素的EELS面分布图。(e)通过遗传算法结合蒙特卡洛-分子动力学混合方法模拟得到的弛豫晶界超胞原子结构，附有垂直于晶界面的元素分布剖面图；VC表示空位团簇，黑色圆圈代表块体材料内部空位聚集形成的微孔。 图4中熵钙钛矿陶瓷的力学性能。(a)钙钛矿陶瓷的应力-应变曲线。(b,c)中熵钙钛矿陶瓷的断口形貌及(b1,c1)裂纹扩展路径。(d)钙钛矿陶瓷的维氏硬度与断裂韧性。(e,f)中熵钙钛矿陶瓷中的位错结构。(g);X波段电磁屏蔽效能(SE)、热阻率(1/κ)、抗弯强度(σ)、维氏硬度(HV)、断裂韧性(KIC)和杨氏模量(E)与其他钙钛矿陶瓷的性能对比。(h)高缺陷中熵钙钛矿陶瓷实现优异力学和电磁屏蔽性能的机理示意图。 论文地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202502782
上海交通大学林忠钦院士团队在Progress in Materials Science上发表综述论文 2025-06-03 一、【导读】 近期，上海交通大学林忠钦院士团队在国际材料领域期刊Progress in Materials Science;(IF 33.6) 上发表了题为“Simple shear methodology for local structure–property relationships of sheet metals: State-of-the-art and open issues”的综述论文。论文首次总结了金属薄板简单剪切测试方法的理论基础、实验技术以及其在揭示材料结构-性能关系中的应用现状，进一步指出了目前存在问题和潜在解决方案。该论文以上海交通大学为唯一完成单位和唯一通讯单位，何霁副教授和李淑慧教授为论文共同通讯作者，韩国丰博士和何霁副教授为论文共同第一作者。 ; 二、【成果掠影】 ; 建立金属薄板微观结构和宏观性能的可靠表征及映射是揭示塑性加工过程中构件性能演化，实现材料结构一体化的关键技术。解决这一问题需要采用简单剪切等特殊变形测试手段及跨尺度模拟方法，变形区集中（微区）、变形量大（大变形）、理论模拟复杂是该领域面临的主要挑战，研究该问题需要借助多学科交叉手段，其成果也有望惠及材料科学、力学和制造科学的各个领域。团队通过文献综述，总结了现有塑性成形中材料微区大变形发生的主要特点和存在问题，材料科学和力学研究在该领域取得的主要进展；比较了目前不同材料微区高分辨率测试表征方法的优势和特色，指出了现有技术的局限性，澄清了不同应变表达在大变形下的适用范围；提出了微区塑性大变形微观结构和宏观性能映射方法中存在的问题，揭示了传统技术方法人为假设和实验设计验证之间的矛盾；明确了塑性变形先进表征及映射技术采用数据科学赋能的新技术途径，即通过数据驱动实现精确、可靠和高效的跨尺度映射，为未来的技术发展提出了可行研究思路。 图1 材料科学、力学和制造科学领域对简单剪切测试方法的潜在需求 林忠钦院士领导的团队长期致力于解决金属薄板塑性成形过程中的材料、力学和制造问题，近年来在Progress in Materials Science, International Journal of Plasticity和International Journal of Solids and Structures等期刊上发表了相关研究成果，研究工作获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及机械系统与振动全国重点实验室的科研项目支持。 ; 原始文献与系列成果 1、Han, Guofeng, He, Ji, Li, Shuhui, & Lin, Zhongqin. (2024). Simple shear methodology for local structure–property relationships of sheet metals: State-of-the-art and open issues. Progress in Materials Science, 143, 101266. 2、Han, Guofeng, He, Ji, & Li, Shuhui. (2022). Simple shear deformation of sheet metals: finite strain perturbation analysis and high-resolution quasi-in-situ strain measurement. International Journal of Plasticity, 150, 103194. 3、Li, Shuhui, He, Ji, Gu, Bin., Zeng, Danielle, Xia, Z. Cedric, Zhao, Yixi, & Lin, Zhongqin. (2018). Anisotropic fracture of advanced high strength steel sheets: Experiment and theory. International Journal of Plasticity, 103, 95–118. 4、Gu, Bin, He, Ji, Li, Shuhui, & Lin, Zhongqin.;(2020). Anisotropic fracture modeling of sheet metals: From in-plane to out-of-plane. International Journal of Solids and Structures, 182, 112–140. ; 原文链接 https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101266 https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.103194 https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2018.01.003 https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2019.08.004 ;
Nat. Mater.重大突破：高性能全固态锂硫电池！ 2025-06-01 一、【科学背景】 全固态锂硫电池（SSSBs）因其高理论能量密度（2600 Wh kg⁻¹）、硫的低成本、避免了液态锂硫电池中有机电解液的易燃性，以及固态电池消除溶解的多硫化物引起的穿梭效应对循环寿命的负面影响提高安全性和稳定性等优势，被视为下一代储能技术的理想选择。作为主流固态电解质，硫银锗矿（Li₄PS₂Cl，简称AG）基于S↔Li2S的可逆转化，具有高的离子电导率（>10 mS/cm）。然而在充电过程中，当电压超过2.5 V（vs. Li+/Li）时，晶格中游离的S2−离子会以与Li2S相似的电位被氧化为硫，导致电解质发生电化学分解。此过程不仅消耗电解质，还会生成绝缘副产物（如LiCl和P₂S₇⁴⁻），导致界面阻抗激增和容量衰减，严重制约了电池性能。 二、【创新成果】 基于以上难题，加拿大滑铁卢大学Linda F. Nazar教授团队在Nature Materials上发表了题为“Suppressing argyrodite oxidation by tuning the host structure for high-areal-capacity all-solid-state lithium-sulfur batteries”的论文，提出提出“强宿主-电解质界面相互作用”策略，从源头抑制Li+的脱出，从而协同抑制硫银锗矿的氧化。具体的，本研究采用C3N4掺杂石墨烯（CNG）作为概念验证宿主材料，其适中的电子传输特性既保证了电池运行，又有效限制了电解质界面的电子迁移。相较于非极性碳材料，采用该宿主材料的SSSBs展现出优异的倍率性能和长期循环稳定性—室温下循环230次仍保持2 mAh cm-2的容量，而在60℃条件下获得11.3 mAh cm-2的高容量（容量保持率90%）。本研究提出的关键参数可深化对固态电解质氧化还原行为的理解，为SSSBs界面和材料设计提供指导。 三、【图文解析】 图1; 硫正极导电碳结构设计以最小化AG氧化 © 2025 Springer Nature 图2; 不同复合正极中电解质分解的电压曲线和比较 © 2025 Springer Nature 图3 CNG抑制LPSCl1.5氧化的机制 © 2025 Springer Nature 图4; Li-In|LPSCl1.5|CNG（或NG）-S-LPSCl1.5-SSBs在室温下的电化学性能 © 2025 Springer Nature 图5; Li-In | LPSCl1.5 | CNG-S-LPSCl1.5-SSB电池在C/10倍率循环过程中的阻抗演变 © 2025 Springer Nature 图6; Li-In|LPSCl1.5|CNG-S-LPSCl1.5 SSSBs的高硫负载电化学性能 © 2025 Springer Nature ; 四、【科学启迪】 综上，本研究通过氮掺杂碳材料（CNG）的界面调控，在固体电解质与硫宿主界面处形成了强Li–N结合，从而有效抑制了银硫锗矿（AG）的分解，实现了全固态锂硫电池的高容量与长循环寿命。这种抑制作用通过限制Li⁺离子的初始脱出，减缓了AG的间接氧化过程的动力学，并将硫化物离子转化为硫的第一步电位向更高电压方向移动，随后也抑制了后续的步骤。这些过程不仅减缓了氧化动力学，而且在直接充电时表现出更高的过电位。通过减少界面处绝缘分解产物的积累，CNG宿主能够容纳高硫负载，从而显著提升了SSSBs的循环性能。与NG电池相比，CNG电池实现了2.8倍的容量提升。这一工作为固态电池的界面工程和材料设计提供了重要参考，推动固态锂硫电池向产业化迈出关键一步。 原文详情：Suppressing argyrodite oxidation by tuning the host structure for high-areal-capacity all-solid-state lithium-sulfur batteries (Nat. Mater. 2025, DOI: 10.1038/s41563-025-02238-2) 本文由大兵哥供稿。
中国工程物理研究院李晋锋科研团队通过亚稳态工程策略强韧化脆性软磁多主元合金 2025-05-31 ; 软磁合金作为电机、变压器等电力设备的核心材料，应具备高磁导率、低矫顽力等性能从而实现能量的高效转化，同时还需承受高速运转时引起的机械应力。然而，传统软磁合金面临着“强度高则脆，韧性好则软”的困境。如何让软磁合金既强又韧，还能保持优异的磁学性能是目前亟待解决的共性难题。 中国工程物理研究院材料研究所李晋锋团队在《Applied Physics Letters》发表题为“Achieving strength–ductility trade-off of brittle;soft magnetic multi-principal element alloy;via metastability engineering”最新研究，成功通过“亚稳态工程”策略，在Fe-Co-Ni-Al-Ti-Ta多主元合金中实现了强度－塑性－软磁性能的协同！该合金的拉伸强度达到1.65 GPa，同时保持15%的延伸率，饱和磁化强度为131 emu/g，矫顽力低至12.5 Oe，电阻率为116 μΩ·cm，突破了传统软磁合金难以兼顾力学性能与磁性能的瓶颈。 研究团队通过热机械处理（TMP）工艺，包括高温轧制与快速淬火，消除了铸态合金中的微米级BCC非磁性相，并在FCC基体中析出纳米级L1₂相。透射电镜分析显示，L1₂相的尺寸约为6.5 nm，体积分数达15.6%。这些纳米析出相通过Orowan机制阻碍位错运动，将合金屈服强度提升至760 MPa。与此同时，L1₂相的尺寸远小于磁畴壁厚度（约113 nm），避免了磁畴钉扎效应，从而保持了低矫顽力与高磁导率。 此外，该合金在变形过程中能够诱发相变诱导塑性（TRIP）机制，使合金从面心立方（FCC）结构向体心立方（BCC）结构动态转变。应力诱导的TRIP效应不仅能够使合金的塑性得到显著提升，还能通过FCC-BCC相界的界面硬化效应提升强度。实验表明，随着拉伸应变量的增加，BCC相的体积分数不断上升，并维持超高的加工硬化率（峰值约8 GPa）。 该研究为开发兼具高强韧与优异软磁性能的多主元合金提供了新思路。相较于传统TRIP合金或单相多主元合金，该合金在维持低矫顽力的同时，实现了700 MPa以上的屈服强度和超过15%的拉伸塑性，展现出在高效电机、新能源变压器等领域的应用潜力，为后续高性能磁性材料的设计与工程化奠定了基础。 论文主要图片如下: ;; 图1.;TMP合金的力学性能和磁性能分析。（a）：TMP合金的拉伸应力-应变曲线；（b）：TMP合金的加工硬度曲线；（c）和（d）：变形前后TMP合金的磁滞回线；（e）：屈服强度和矫顽力与其他SMMEPA的对比统计；（f）：屈服强度和饱和磁化强度与其他SMMEPA的对比统计 图2.;TMP合金的组织结构和元素分布分析。（a）和（b）：TMP合金的EBSD极图和相图；（c）TMP合金的TEM-BF图像；（d）：TMP合金的高倍TEM-BF图像和（e）：与图（d）对应的SAED图；（f）：L12纳米粒子的TEM-CDF图像；（g）和（h）：TMP合金的HR-TEM图像；（i）：对应图（h）��xx方向的GPA云图；（j）：TMP合金的TEM-EDS图。 图3.;TMP合金在不同变形条件下的EBSD表征以分析TMP合金在变形过程中应力诱导的TRIP机制 图4.;TMP合金在10%拉伸变形后的TEM分析。（a）和（b）：TEM-BF图像；（c）：相变前端的TEM-BF图像；（d）和（e）：相变区域的TEM-BF图像；（f）：FCC-BCC相边界的HR-TEM图像；（g）：对应图（f）��xx方向的GPA云图。（h）：TMP合金的HR-TEM图像；（i）：对应图（h）��xx方向的GPA云图 ; 团队介绍： 中国工程物理研究院材料研究所与电子科技大学联合培养董培林博士和中国工程物理研究院材料研究所与新疆大学联合培养黄留飞博士为论文共同第一作者；中国工程物理研究院材料研究所李晋锋副研究员和电子科技大学钟智勇教授为论文共同通讯作者；其他合作者包括：中国工程物理研究院材料研究所赵晓冲研究员、杨秋菊博士；中国工程物理研究院材料研究所、大连理工大学蔡选鸿博士；西南交通大学赵小军副研究员；桂林电子科技大学马垒研究员。 ; 文章信息： Achieving strength–ductility trade-off of brittle;soft magnetic multi-principal element alloy;via metastability engineering Peilin Dong, Liufei Huang, Qiuju Yang, Xuanhong Cai, Xiaojun Zhao, Lei Ma,;Xiaochong Zhao, Zhiyong Zhong, and Jinfeng Li Appl. Phys. Lett. 126, 171905 (2025); doi: 10.1063/5.0258067
合肥工业大学宋晓辉团队在原位液相TEM领域取得突破-壳核纳米线生长机理研究取得进展 2025-05-31 ;;; 近日，合肥工业大学宋晓辉副教授团队在纳米材料原位成像领域取得重大进展。研究利用液相透射电子显微镜（LPTEM）、冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）以及三维电子断层扫描等手段，在原子分辨率下首次动态揭示了金属核壳纳米线的三阶段生长过程。相关成果以《Observation of nanoparticle coalescence during core-shell metallic nanowire growth in colloids via nanoscale imaging》为题，于2025年5月23日发表在国际知名期刊《Nature Communications》，合肥工业大学为第一通讯作者单位，第一作者为材料科学与工程学院2022级硕士生杨大海，通讯作者为材料科学与工程学院宋晓辉副教授。 图1：原位TEM实验研究壳-核AuAg合金纳米线生长过程 金属纳米线由于其独特的形貌和晶体结构调控能力，在能源转换、光电器件、电催化等领域具有重要应用前景。其中，核壳结构金属纳米线因其表面结构的精细调控能力成为材料设计的重要研究方向。然而，核壳纳米线一维结构所带来的界面复杂性，使其生长机制长期处于“黑箱”状态，尤其缺乏原子尺度下的生长动态认知。针对这一难题，研究团队引入先进的液相透射电子显微技术（LPTEM）和冷冻透射电镜（Cryo-TEM），结合三维电子断层扫描手段，实现了纳米线生长过程的实时追踪与立体重建。 在实验过程中，研究人员以贵金属（Au、Pd、Pt）及过渡金属（Fe、Ni、Cu、Ru）为外壳材料，系统研究了其在AuAg种子纳米线表面沉积、生长与融合的全过程。研究发现，该过程可以分为三个典型阶段：异相成核、纳米颗粒附着与融合。与传统“二步成核—生长模型”不同，团队提出了颗粒协同融合驱动的三阶段新机制。其中，贵金属纳米颗粒更倾向于沿〈111〉晶向优先融合形成表面光滑的核壳结构，而过渡金属则融合行为各异，表面粗糙程度显著增加。 为排除电子束对实验过程的干扰，研究团队还采用了低剂量LPTEM成像、冷冻固定快照，以及三维断层重建等多种方法相互印证，首次在无有机配体的胶体体系中成功实现了金属纳米颗粒融合行为的三维原子分辨率重构。此外，通过应变分布分析与分子动力学模拟，研究进一步揭示了金属沉积诱发的纳米线内部应力演化路径，为双螺旋结构的形成提供了新的力学解释。 图2： 断层扫描重构3D图像，明确晶向融合方向 图3：应变分析与仿真揭示结构演变的应力起源。 实验结果表明，该三阶段生长机制在手性与非手性种子纳米线中均适用，具有良好的普适性，且不依赖于晶体结构或外加配体。这一发现不仅拓展了纳米晶体传统生长理论，也为核壳结构设计、界面调控提供了新的范式，对未来可编程纳米材料的合成具有重要指导意义。 本研究依托合工大的分析测试中心电镜平台，充分发挥了团队在原位高分辨成像、图像处理与材料构建机制研究方面的多学科交叉优势。该成果的取得，有力推动了我校在功能纳米材料合成设计方向的国际影响力。 原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60135-3;;
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