【新聞中心訊】近期，燕山大學(xué)亞穩材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室田永君院士團隊與浙江大學(xué)交叉力學(xué)中心楊衛院士團隊合作，實(shí)現了金剛石的超高彈性應變（拉伸強度）和室溫位錯誘導的塑性變形。研究成果相繼發(fā)表在Nature子刊（https://www.nature.com/articles/s41467-019-13378-w）及Cell子刊上（https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30073-4）。

金剛石是自然界已知最硬的材料，被廣泛應用于珠寶、機械、半導體、對頂砧以及新型微納操縱等行業(yè)和領(lǐng)域，是不可或缺的戰略性材料，得到世界各工業(yè)發(fā)達國家的高度重視。然而，室溫下金剛石塊材極易脆斷，實(shí)測彈性應變不足2%，傳統更認為其不具備塑性變形能力，這些特征嚴重限制了金剛石的潛在應用。

燕山大學(xué)與浙江大學(xué)的兩個(gè)團隊合作，憑借自主研發(fā)的原位微納米力學(xué)實(shí)驗平臺，在透射電鏡下對金剛石納米針進(jìn)行了原位彎曲實(shí)驗。實(shí)驗結果表明金剛石納米針的最大拉伸應變對尺寸、晶向及表面粗糙度有很大的依賴(lài)關(guān)系（圖1）。值得關(guān)注的是，在直徑為60 nm的<100>取向的金剛石納米針中實(shí)現了高達13.4％的可回復拉伸應變，對應的拉伸強度達125 GPa，突破了經(jīng)典的Griffith理論強度，是迄今為止實(shí)驗上獲得的金剛石最高強度值。如此大的彈性應變可以大范圍地調控金剛石的帶隙，將進(jìn)一步推動(dòng)金剛石作為新一代理想半導體材料在柔性光電子器件、生物傳感器和納米機械操縱器等方面的應用研究。研究成果于2019年12月04日在NatureCommunications在線(xiàn)發(fā)表。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13378-w。

金剛石納米針原位彎曲測量

（a）金剛石彎曲TEM照片；（b）金剛石納米針斷裂應變對尺寸和取向的依賴(lài)關(guān)系；（c）金剛石理想應力-應變曲線(xiàn)

隨后，兩個(gè)團隊采用自主研發(fā)的納米孿晶金剛石作為壓頭，成功實(shí)現了單晶金剛石微納柱體的單軸壓縮。原位觀(guān)察到了單晶金剛石室溫下位錯主導的塑性形變，解答了長(cháng)久以來(lái)關(guān)于金剛石是否存在室溫塑性的爭議。通過(guò)對金剛石微納柱體內產(chǎn)生的位錯網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行三維重構和原子分辨下的位錯芯成像（圖2），發(fā)現在<111>和<110>取向壓縮時(shí)普遍產(chǎn)生{100}面內的位錯滑移，而只在<100>方向壓縮時(shí)才會(huì )產(chǎn)生{111}面內的位錯滑移。金剛石中位錯產(chǎn)生對加載方向表現出很強的依賴(lài)關(guān)系。由于化學(xué)鍵的強共價(jià)性和方向性，金剛石的位錯行為與Cu、Au、Ag和Si等其它面心立方晶體完全不同，顛覆了面心立方晶體沿最密排{111}面滑移的傳統認知。研究成果于2020年03月10日在Matter上在線(xiàn)發(fā)表。論文鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30073-4。

室溫下<111>取向金剛石納米柱原位壓縮塑性形變測量

（a）壓縮前金剛石納米柱TEM暗場(chǎng)像；（b）位錯在<111>取向金剛石納米柱內產(chǎn)生和演化；（c）位錯芯原子像（d）金剛石納米柱中位錯網(wǎng)絡(luò )的三維重構

研究結果表明微納尺度金剛石單晶已表現出良好的彈性以及一定的塑性變形能力，顛覆了研究者對金剛石機械性能的傳統認知，為未來(lái)通過(guò)尺寸及組織結構調控提高金剛石材料的韌性和塑性提供了科學(xué)依據。

兩項工作第一作者為聶安民教授，燕山大學(xué)署名第一單位，得到了科技部（項目號2018YFA0703400）和國家基金委（項目號11725210,11672355,11702165和51672239）的大力支持。（編輯 褚玉晶）