TEM原位热电一体杆实现对二级相变材料相界的原子尺度精准、可重复调控

编者按

材料在宏观尺度和纳米尺度上表现出的行为差异极大。近年来对于二级相变材料在纳米尺度上的相变行为的研究也越来越多。但在二级相变材料构成的纳米单晶中，两相能否热力学稳定共存仍不清楚，而这种现象根据朗道理论严格来说不可能出现于块体材料中。同时，目前也不清楚能否在二级相变材料中实现原子尺度的操控。而这两点对于理解纳米材料中的相变行为及潜在的纳米器件应用上都有着至关重要的作用。

材料相变行为差异示意图

近日，浙江大学材料学院张泽院士和王勇教授（共同通讯作者）与中科院上海硅酸盐所陈立东、史迅研究员团队，美国伦斯勒理工学院张绳百教授，澳大利亚斯威本科技大学孙成华教授等人合作利用TEM结合DENSsolutions公司原位热电一体样品杆研究了Cu2Se在纳米尺寸中的相变特性，在楔形纳米单晶中揭示了Cu2Se两相共存的现象。通过考虑两相之间的表面能差异和形状效应，建立了热力学模型解释了两相共存的原因。有趣的是，由于表面与形状效应，二级相变材料在不同的位置表现出不同的相变温度。作者通过原位热电一体样品杆精确控制加热温度实现对相界的原子尺度调控，随着温度按0.5℃温差的降低和升高，相边界随即发生改变，实现相边界的可重复操作。这些发现将对相变的理解向纳米尺度进一步扩展，并为合理调控纳米材料的相变提供了新的思路。

相界随温度的迁移：通过TEM原位热电一体杆（DENSsolutions）对样品进行精确地温度控制，从图C可以看出，温度发生0.2℃的变化，晶界位置就会产生明显的迁移，随之不同相的厚度和比例随之改变，进而宏观上对材料的整体性能产生影响。这表明，精确地温度控制对于晶界的迁移十分重要。

该研究成果以题为“Nanoscale Behavior and Manipulation of the Phase Transition in Single-Crystal Cu2Se”发表于著名材料期刊Advanced Materials。

可重复操作的相边界：通过TEM原位热电一体杆（DENSsolutions）将加热温度进行微小改变，随温度升高和降低，相边界随之发生可重复的改变，而这种精确地、可重新性的操作是达成相变可控进而调控纳米材料性能的基础。

【作者介绍】

浙江大学陈陆博士，刘军为共同第一作者，张泽院士和王勇教授为通讯作者。该工作得到了荷兰DENSsolutions徐强博士的支持，感谢国家自然科学基金委对该项目的资助。

王勇，教授，青年千人。2006年获中国科学院物理研究所理学博士学位；2006年-2008年：澳大利亚昆士兰大学材料系从事博士后研究；2009年-2012年在澳大利亚昆士兰大学材料系任ARC项目研究员；2010年-2011年在加州大学洛杉矶分校电子工程系作访问学者；2012年回国加入浙江大学电子显微镜中心张泽院士团队。王勇教授领导的研究组是国内最早开展大气压下环境电子显微学工作的小组之一，目前的研究兴趣主要集中在利用先进的原位环境电镜技术在原子尺度近工作环境中探究温度/气体/气压对纳米材料的表界面结构与稳定性能的影响，为纳米材料的实际应用提供可靠的实验依据与创新的解决思路。共发表140余篇SCI索引论文，并且大部分见于有影响的国际学术期刊，如Nature Materials (1篇), Nature Nanotechnology (3), J. Am. Chem. Soc. (6), Angew. Chem. (6), Phys. Rev. Lett.(2), PNAS (2), Nano Lett. (14), ACS Nano (8), Adv. Mater. (3), Phys. Rev. B(4) 及 Appl.Phys. Lett. (10)。基于ISI Web of Science的统计, SCI文章被累计引用4400余次,H因子为39。

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张泽院士，材料科学专家、晶体学家。1980年毕业于吉林大学物理系。1983年获中科院沈阳金属研究所硕士学位，1987年获博士学位。现为浙江大学材料科学与工程学院教授,浙江大学学术委员会主任。近十年来，张泽院士主要利用和发展现代电子显微学方法，原位研究低维纳米材料在载荷等外场作用下的结构演变与新异性能间的关系。自2004年来，张泽院士带领的研究团队在透射电子显微镜原位力学性能实验领域开始了新的探索，发展了透射电子显微学碳支持膜双倾拉伸及弯曲技术；在透射电镜加热台基础上发展了热双金属驱动变形纳米材料的技术及一系列传感器及力驱动技术，并将这些自主研发的先进实验技术应用于纳米线，纳米薄膜的原子尺度力学行为的研究，揭示了硅，碳化硅等功能纳米线在纳米尺度的超塑性变形及固态银纳米颗粒的液体行为，在材料的原位结构演变和力学性能关联的领域取得了一系列重要的创新性成果，获得了国际同行的广泛关注，在Nature、Science、Nat. Mater.、Nat. Commun.、Nano Lett.、Adv. Mater.、Phys. Rev. Lett.、JACS和Angew. Chem. Int. Edit.等国际有重要影响的期刊上发表论文200余篇。目前的主要研究方向为高温合金与显微结构。

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