近期，燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田永君院士團(tuán)隊與浙江大學(xué)交叉力學(xué)中心楊衛(wèi)院士團(tuán)隊合作，實(shí)現(xiàn)了金剛石的超高彈性應(yīng)變（拉伸強(qiáng)度）和室溫位錯誘導(dǎo)的塑性變形。研究成果相繼Nature子刊及Cell子刊上。
       金剛石是自然界已知最硬的材料，被廣泛應(yīng)用于珠寶、機(jī)械、半導(dǎo)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(zhàn)略性材料，得到世界各工業(yè)發(fā)達(dá)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(yīng)變不足2%，傳統(tǒng)更認(rèn)為其不具備塑性變形能力，這些特征嚴(yán)重限制了金剛石的潛在應(yīng)用。

       燕山大學(xué)與浙江大學(xué)的兩個團(tuán)隊合作，憑借自主研發(fā)的原位微納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明金剛石納米針的最大拉伸應(yīng)變對尺寸、晶向及表面粗糙度有很大的依賴關(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(xiàn)了高達(dá)13.4％的可恢復(fù)拉伸應(yīng)變，對應(yīng)的拉伸強(qiáng)度達(dá)125 GPa，突破了經(jīng)典的Griffith理論強(qiáng)度，是迄今為止實(shí)驗(yàn)上獲得的金剛石最高強(qiáng)度值。如此大的彈性應(yīng)變可以大范圍地調(diào)控金剛石的帶隙，將進(jìn)一步推動金剛石作為新一代理想半導(dǎo)體材料在柔性光電子器件、生物傳感器和納米機(jī)械操縱器等方面的應(yīng)用研究。研究成果于2019年12月04日在Nature Communications在線發(fā)表。

圖1 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(yīng)變對尺寸和取向的依賴關(guān)系；（c）金剛石理想應(yīng)力-應(yīng)變曲線

       隨后，兩個團(tuán)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(xiàn)了單晶金剛石微納柱體的單軸壓縮。原位觀察到了單晶金剛石室溫下位錯主導(dǎo)的塑性形變，解答了長久以來關(guān)于金剛石是否存在室溫塑性的爭議。通過對金剛石微納柱體內(nèi)產(chǎn)生的位錯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行三維重構(gòu)和原子分辨下的位錯芯成像（圖2），發(fā)現(xiàn)在<111> 和<110> 取向壓縮時普遍產(chǎn)生{100}面內(nèi)的位錯滑移，而只在<100>方向壓縮時才會產(chǎn)生{111}面內(nèi)的位錯滑移。金剛石中位錯產(chǎn)生對加載方向表現(xiàn)出很強(qiáng)的依賴關(guān)系。由于化學(xué)鍵的強(qiáng)共價性和方向性，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(tǒng)認(rèn)知。研究成果于2020年03月10日在Matter上在線發(fā)表。

圖2 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暗場像；（b）位錯在<111>取向金剛石納米柱內(nèi)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(gòu)

       研究結(jié)果表明微納尺度金剛石單晶已表現(xiàn)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(jī)械性能的傳統(tǒng)認(rèn)知，為未來通過尺寸及組織結(jié)構(gòu)調(diào)控提高金剛石材料的韌性和塑性提供了科學(xué)依據(jù)。
       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。