燕山大学在金刚石力学性能研究中取得新进展

2020-03-13亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室 张春祥

【新闻中心讯】近期，燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君院士团队与浙江大学交叉力学中心杨卫院士团队合作，实现了金刚石的超高弹性应变（拉伸强度）和室温位错诱导的塑性变形。研究成果相继发表在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）。

金刚石是自然界已知最硬的材料，被广泛应用于珠宝、机械、半导体、对顶砧以及新型微纳操纵等行业和领域，是不可或缺的战略性材料，得到世界各工业发达国家的高度重视。然而，室温下金刚石块材极易脆断，实测弹性应变不足2%，传统更认为其不具备塑性变形能力，这些特征严重限制了金刚石的潜在应用。

燕山大学与浙江大学的两个团队合作，凭借自主研发的原位微纳米力学实验平台，在透射电镜下对金刚石纳米针进行了原位弯曲实验。实验结果表明金刚石纳米针的最大拉伸应变对尺寸、晶向及表面粗糙度有很大的依赖关系（图1）。值得关注的是，在直径为60 nm的<100>取向的金刚石纳米针中实现了高达13.4％的可回复拉伸应变，对应的拉伸强度达125 GPa，突破了经典的Griffith理论强度，是迄今为止实验上获得的金刚石最高强度值。如此大的弹性应变可以大范围地调控金刚石的带隙，将进一步推动金刚石作为新一代理想半导体材料在柔性光电子器件、生物传感器和纳米机械操纵器等方面的应用研究。研究成果于2019年12月04日在NatureCommunications在线发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13378-w。

金刚石纳米针原位弯曲测量

（a）金刚石弯曲TEM照片；（b）金刚石纳米针断裂应变对尺寸和取向的依赖关系；（c）金刚石理想应力-应变曲线

随后，两个团队采用自主研发的纳米孪晶金刚石作为压头，成功实现了单晶金刚石微纳柱体的单轴压缩。原位观察到了单晶金刚石室温下位错主导的塑性形变，解答了长久以来关于金刚石是否存在室温塑性的争议。通过对金刚石微纳柱体内产生的位错网络进行三维重构和原子分辨下的位错芯成像（图2），发现在<111>和<110>取向压缩时普遍产生{100}面内的位错滑移，而只在<100>方向压缩时才会产生{111}面内的位错滑移。金刚石中位错产生对加载方向表现出很强的依赖关系。由于化学键的强共价性和方向性，金刚石的位错行为与Cu、Au、Ag和Si等其它面心立方晶体完全不同，颠覆了面心立方晶体沿最密排{111}面滑移的传统认知。研究成果于2020年03月10日在Matter上在线发表。论文链接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30073-4。

室温下<111>取向金刚石纳米柱原位压缩塑性形变测量

（a）压缩前金刚石纳米柱TEM暗场像；（b）位错在<111>取向金刚石纳米柱内产生和演化；（c）位错芯原子像（d）金刚石纳米柱中位错网络的三维重构

研究结果表明微纳尺度金刚石单晶已表现出良好的弹性以及一定的塑性变形能力，颠覆了研究者对金刚石机械性能的传统认知，为未来通过尺寸及组织结构调控提高金刚石材料的韧性和塑性提供了科学依据。

两项工作第一作者为聂安民教授，燕山大学署名第一单位，得到了科技部（项目号2018YFA0703400）和国家基金委（项目号11725210,11672355,11702165和51672239）的大力支持。（编辑 褚玉晶）

来源：燕山大学网站