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自然基金重大项目“材料界面的亚埃尺度结构和材料性能”取得重要进展

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2016年11月8日,国家自然科学基金重大项目“材料界面的亚埃尺度结构和材料性能”中期评估会议在华南理工大学举行。经过答辩和讨论程序,与会专家一致认为该项目的研究工作取得重要进展

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该项目基于象差校正电子显微镜所提供的获取亚埃尺度界面原子构型的能力,选择分别与界面电磁-力学-化学特性密切相关的目标材料,将界面组织结构与材料特性联系起来,同时发展基于亚埃分辨电子显微学的应变场皮米精度测量方法,探索高空间和元素分辨的三维电子显微学实验技术,为物质科学研究开拓新的领域。

项目执行三年以来,发表文章131篇,其中《自然》子刊8篇,《先进材料》、《先进功能材料》等 3篇,《纳米快报》、《纳米能源》、《纳米技术》等4篇,《物理评论快报》2篇。“硅纳米结构制备及其应用基础研究”于2015年获得教育部自然科学奖一等奖。项目取得的具体进展如下:

  • 一是实现氧化物薄膜及超晶格的高质量制备和畴界面的剪裁调控,如在超低温外延生长铁酸锂(LiFe5O8)薄膜,并发现镧钡钴氧(LaBaCo2O5.5+d)外延薄膜各向异性电学特性及气敏特性等。
  • 二是以亚埃分辨的电镜技术揭示了多种铁性材料,包括锰酸钇/氧化铝(YMnO3/Al2O3)、镧锶锰氧/钛酸锶(La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3)、钇铁石榴石-铂(Y3Fe5O12(YIG)-Pt)、铁酸铋(BiFeO3)等的晶体缺陷与拓扑畴之间的关联性。
  • 三是用原子尺度的位错和界面应力分析方法定量表征了材料界面结构、应变场与力学性能的关系,如阐明高温低应力蠕变条件下镍基单晶高温合金叶片材料DD6的γ/γ¢相界演变中合金化元素铼(Re)和界面位错网络的交互作用;解释了纳米孪晶铜中当孪晶片层厚度减小到一个临界尺寸(约为15 nm)以下时反而出现软化的实验现象等。
  • 四是在原子尺度上观察了若干能源与催化材料表面结构与生长机制,如直观看到贵金属催化剂铑存在六方密排结构,并对其表面化学活性进行了评估;原位揭示了铂催化石墨烯氧化的机理;原位揭示了原子尺度下钨催化剂氧化钨(W18O49)纳米线和三碲(硒)化二铋(Bi2(Te, Se)3)拓扑绝缘体材料的生长机理。
  • 五是发展了三维电子显微学和局域磁性测量技术,一部分是三维形貌电子显微学与皮米精度电子显微学,如仅用单张原子像精确重构出MgO晶体表面形貌,不但精度优于单原子水平,而且可检测出吸附在晶体表面的其他类原子;另一部分是在透射电镜中发展出了一套适用于不同晶体结构定量测量微纳区域磁参数的一般方法。

 

相关背景:

界面是材料中普遍存在的结构组成单元,对材料的物理性能、化学性能及力学性能均有重要的影响。研究材料界面的结构、性质及其与材料性能之间的关系,是材料科学的重要组成部分。先进的制备与加工技术也可能发展出对界面更好的控制方法,因此材料界面科学从研究界面状态及行为对材料性能的影响,拓展到界面工程并藉此发展出具有优异性能的新材料。

界面在其法线方向小到纳米甚至单层原子,因此对其表征及分析需要很高的分辨能力。由于界面问题的普遍性,使得不仅材料科学,以至凝聚态物理、固态化学、信息科学、能源等领域,都迫切需要高度局域化的表征手段和方法来研究材料和物质中的界面问题。但以往表征方法所能达到的分辨能力还不足以认清一些经典的界面问题或表征新材料体系中的界面特征,像差校正电镜的出现,使得对物质空间分辨水平得到很大提升,为在亚埃尺度研究材料界面工程中精细原子构型与材料性能的关系提供了重要机遇。

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