马秀良课题组亚稳超硬材料的相变研究取得进展

jinyun

　近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心材料结构与缺陷研究部研究员陈春林、马秀良、中科院院士叶恒强与东京大学教授Yuichi Ikuhara、NIMS教授谷口尚等人合作，利用像差校正电子显微术在原子尺度上研究了纤锌矿型氮化硼中的缺陷结构及其对材料相变的影响，发现材料中的三维缺陷网络可显著提高该亚稳超硬材料的稳定性，突破了人们对材料缺陷与相变关系的传统认识。相关成果于5月17日在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上在线发表。

　　纤锌矿型氮化硼是硬度接近于金刚石的超硬材料，有望在许多应用领域中替代金刚石。此外，纤锌矿型氮化硼还是一种很有前景的宽带半导体，具有比氮化镓更宽的能隙、更高的导热性等优点，有望在高性能电子器件中得到应用。然而，纤锌矿型氮化硼是一种高压亚稳相，在常压下极易转变为六角氮化硼（具有类似于石墨的结构），通常仅能通过冲击波压缩法制备微米尺寸的纤锌矿型氮化硼。如何制备较大尺寸的纤锌矿型氮化硼并使其在常温常压下保持稳定是个具有挑战性的问题，相关机理尚不清楚。

　　研究团队通过高温高压处理六角氮化硼单晶的方法制备了毫米尺寸的纤锌矿型氮化硼晶体，并利用扫描透射电子显微术与第一性原理计算相结合的方法系统地研究了纤锌矿型氮化硼中的缺陷结构及其对材料相变的影响。电子显微学研究发现纤锌矿型氮化硼中基面上的层错与棱柱面上的倒反畴界相交在一起从而形成一个三维缺陷网络。该缺陷网络将氮化硼晶体分割为平均尺寸约十几纳米的棱柱体，相邻的棱柱体具有相反的晶体极性。层错与倒反畴界相交形成了数量众多的“层错-倒反畴界结”，交叉点的核心结构包含一个混合型不全位错。第一性原理计算表明三维缺陷网络可显著抑制锌矿型氮化硼向六角氮化硼的相变，极大地提高了材料的稳定性。传统相变理论认为材料中的结构缺陷具有较高的能量、易于偏析杂质原子，通常是材料相变的易形核位置，会促进相变的发生。该研究发现的三维缺陷网络对材料相变的显著抑制作用，突破了人们对材料缺陷与相变关系的传统认识。

　　该项研究得到中科院前沿科学重点研究项目、国家自然科学基金与国家青年##计划等的资助。

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马秀良，男，满族，1964年3月生。中国科学院金属研究所研究员；固体原子像研究部主任；中国电子显微学会副理事长。1988年毕业于大连理工大学材料工程系。随后师从著名材料科学家、晶体学家、中国电子显微学会奠基人之一郭可信院士(1923-2006)，在中国科学院北京电子显微镜实验室及大连理工大学从事Al基合金中十次对称准晶及相关晶体相的电子显微学研究。1994年获博士学位。先后在德国Dortmund大学（“洪堡”学者）、日本精细陶瓷研究中心(名古屋)、东京大学、香港城市大学及德国Jülich研究中心等地从事固体材料结构与缺陷的高分辨电子显微学研究。2001年4月起任中国科学院金属研究所研究员。现已合作撰写学术专著2部、合译专著1部。在Science, Nature Materials, Nature Communications, Physical Review Letters等具有重要影响力的国际学术期刊上发表论文220余篇，被引3300余次。


叶恒强，1940年7月出生于香港，原籍广东番禺，材料科学家，中国科学院学部委员（院士），中国科学院金属研究所研究员、博士生导师，北京大学电子显微镜实验室兼职教授、专家小组组长，以及学术委员会主任  。1964年叶恒强毕业于北京钢铁学院物理化学系物理专业，之后进入中国科学院金属研究所就读研究生；1967年从中国科学院金属研究所研究生毕业后留在该所工作；1986年担任中国科学院金属研究所研究员；1988年前往日本东北大学访问研究；1991年当选为中国科学院技术科学部学部委员；1996年获得何梁何利基金科学与技术进步奖；1998年担任中国科学院金属研究所所长（任期至2001年）；2000年担任中国电子显微镜学会理事长（任期至2004年）；2002年担任北京大学物理学院教授 。叶恒强主要从事材料学的电子显微学研究，在材料科学电子显微术，长周期结构、调制结构、拓扑密堆相和低维材料的高分辩原子像研究等领域开展了系统的工作 。