項(xiàng)目名稱：納米尺度下材料的奇異相變行為

申報(bào)單位：材料科學(xué)與工程學(xué)院

負(fù)責(zé)人：王勇

01 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

納米材料因其優(yōu)異的性能和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，目前已成為材料研究領(lǐng)域最重要的方向之一。如何發(fā)現(xiàn)并解讀這些新穎的物理現(xiàn)象，尤其是異于傳統(tǒng)尺度下的新行為，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，然而傳統(tǒng)的研究手段無(wú)法滿足上述需要。該項(xiàng)目發(fā)展了新的原位表征技術(shù)對(duì)納米尺度下材料的相變行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了納米尺度下二級(jí)相變過(guò)程中兩相共存新現(xiàn)象。

不同于體材料的相變理論，納米材料的相變需要考慮表面的貢獻(xiàn)。如何可控引入表面貢獻(xiàn)是研究和理解納米尺度下相變機(jī)制的關(guān)鍵。項(xiàng)目自主設(shè)計(jì)楔形納米樣品成功引入梯度表面貢獻(xiàn)，對(duì)納米尺度下Cu2Se材料的相變行為進(jìn)行了精確控溫的原位研究，項(xiàng)目取得如下創(chuàng)新性成果：

(1)首次發(fā)現(xiàn)二級(jí)相變材料Cu2Se構(gòu)成的楔形納米晶體中兩相可以熱力學(xué)穩(wěn)定共存、對(duì)溫度響應(yīng)靈敏，并實(shí)現(xiàn)了相界面的原子尺度操控。

(2) 基于朗道理論和納米尺度下表面效應(yīng)建立了新的熱力學(xué)模型，成功解釋了上述異于塊體材料的新現(xiàn)象。

論文Nanoscale Behavior and Manipulation of the Phase Transition in Single Crystal Cu2Se，2018年11月13日在線發(fā)表于Advanced Materials。

研究發(fā)現(xiàn)了納米尺度下二級(jí)相變過(guò)程中兩相共存的新現(xiàn)象，建立新的熱力學(xué)模型拓展了傳統(tǒng)相變理論，并實(shí)現(xiàn)了原子尺度相變的精確操控，將對(duì)相變的認(rèn)識(shí)擴(kuò)展到納米尺度，為納米器件設(shè)計(jì)提供新思路。

02 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)

圖1. 課題組照片

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王勇教授：2006年于中科院物理研究所獲博士學(xué)位，隨后在澳大利亞昆士蘭大學(xué)進(jìn)行博士后研究。2010年到2011年，在美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校進(jìn)行訪問(wèn)研究，2012年回國(guó)加入浙江大學(xué)。目前主要從事納米環(huán)境催化材料的研究，共發(fā)表SCI論文140余篇，其中3篇Nature Nanotechnology, 1篇Nature Materials，40余篇發(fā)表在影響因子10以上的高水平期刊上?，F(xiàn)為浙大電鏡中心主任，中國(guó)電鏡學(xué)會(huì)理事，材料物理專委會(huì)副主任，中國(guó)材料學(xué)會(huì)青委會(huì)理事。獲2012年青年千人及2013年香港求是科技基金會(huì)“求是杰出青年學(xué)者獎(jiǎng)”。研究團(tuán)隊(duì)包括張澤院士，美國(guó)張繩百教授，硅酸鹽所陳立東教授、史迅教授，澳洲孫成華教授。

03 科學(xué)解讀

圖2. 納米尺度相變示意圖

圖3. 原子尺度相界面操控

相變物質(zhì)一般有高溫相和低溫相，根據(jù)傳統(tǒng)理論，有的物質(zhì)高低溫兩相可以同時(shí)存在(一級(jí)相變)，比如冰水混合物，但有些物質(zhì)的高低溫相不能同時(shí)存在(二級(jí)相變)，比如我們要研究的Cu2Se材料，它就像一山不容二虎一樣，要么全是低溫相，要么全是高溫相。那么有沒(méi)有可能突破傳統(tǒng)的理論，實(shí)現(xiàn)Cu2Se的兩相共存?針對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，我們進(jìn)行了深入探索，發(fā)現(xiàn)適于體材料的傳統(tǒng)理論沒(méi)有考慮到表面的貢獻(xiàn)，那么如果引入表面貢獻(xiàn)會(huì)發(fā)生什么呢?如圖1所示，一般的，體材料低溫相加熱到相變溫度點(diǎn)就會(huì)全部變成高溫相。我們巧妙地將Cu2Se材料制備成楔形的納米樣品后，驚奇地發(fā)現(xiàn)在相變點(diǎn)附近的一定溫度范圍內(nèi)，低溫相和高溫相同時(shí)存在了!這顯然違背了體材料的相變行為，其原因就是納米尺度下，比表面積增大，表面貢獻(xiàn)不能被忽視了。由于楔形樣品表面貢獻(xiàn)隨其厚度而改變，從而改變了同一材料局域的相變溫度，比如site 1和site 2有不同的相變溫度，實(shí)現(xiàn)了兩相共存，并且表面貢獻(xiàn)的越大，其相變溫度越低，所以高溫相變是從邊緣開(kāi)始并逐漸向內(nèi)推進(jìn)。這樣，我們實(shí)現(xiàn)了二級(jí)相變材料的兩相共存，并通過(guò)精確控溫又實(shí)現(xiàn)了相界面的原子尺度操控，以圖一所示樣品為例，升高溫度(比如0.2度)，相界面從site 1遷移到site 2(精確移動(dòng)3個(gè)原子層)，反之亦然?；诟邷叵嗯c低溫相物理性質(zhì)不同，可以利用它們?cè)O(shè)計(jì)新型納米器件。該工作發(fā)展最先進(jìn)的原位技術(shù)重新研究了相變這一古老而且基礎(chǔ)的物理現(xiàn)象，將對(duì)相變的認(rèn)識(shí)拓展到納米尺度，為納米器件設(shè)計(jì)提供了新的思路。