北工大鄭坤研究員團隊&川大楊磊副教授合作在Adv. Mater.：發現在多晶Cu2Se材料中由晶界結構主導的非同步二次相變行為

導讀：

固態相變是材料中普遍存在的一種物理現象，其在功能材料領域中的應用十分廣泛。雖然固態相變的理論早已建立。但是，隨著納米技術和缺陷工程在材料科學中的應用而出現了眾多新型相變材料，這些材料中往往包含眾多的缺陷結構，并且這些缺陷結構會對相變產生影響，導致其發生相變的機理發生改變。所以，經典的相變理論在這些材料中不再適用。為了能夠解釋其相變機理我們就必須清楚的了解其相變的具體發生過程。然而，由于其結構的復雜性，在過去傳統的測試手段，例如XRD、DSC等都只能給出一個平均的結果，都很難深入到原子尺度來表征這些缺陷周邊結構發生相變的具體動態過程。所以，如何精確地表征缺陷結構相變的動態演化過程仍是一個難題。

成果掠影：

在本文中，作者使用球差矯正的電子顯微鏡結合原位技術，在原子尺度上探究了多晶Cu₂Se中由不同尺度晶界缺陷結構主導的非同步相變過程。其主要實驗數據：

圖1.微米晶和納米晶Cu₂Se的結構表征和相變過程中的原位電學測試 a) 微米晶Cu₂Se的暗場TEM像；b)圖a中的選區電子衍射；c)納米晶Cu₂Se的暗場TEM像。d) c中納米晶粒的高分辨HAADF-STEM圖；e)圖d中標記區域的iDPC-STEM圖像；f)原位熱電芯片的SEM圖像，插圖是測試樣品。g)原位測試相變過程中微米晶和納米晶Cu₂Se電流隨溫度變化。

圖2.微米晶Cu₂Se晶界處的相變過程。在a) 397 K. b) 398 K. c) 399 K時Cu₂Se晶界的HRTEM圖，插圖是與之相關的FFT圖像；d) 在398.4 相界的波動過程。

圖3. a) 室溫下Cu₂Se納米多晶的HRTEM圖像。 b) a中標記的α-Cu₂Se的晶界b1、b2、b3、b4的晶界（GB）能量。c-e）在加熱過程中，分別在394 K、395 K、397 K拍攝的HRTEM圖像。 f-h）在冷卻過程中，分別在392 K、390 K、386 K拍攝的HRTEM圖像。

圖4. a)392K時納米晶Cu₂Se的HRTEM圖像。b-e)分別為A-α、A-β、B-α、B-β標記區域的FFT圖。f)在400K時Cu₂Se的HRTEM圖像；g)圖f中標記區域的HRTEM圖；在h)xx，i)yy，j)xy方向的應力分析。

結論和意義：

綜上所述，我們研究了多晶Cu₂Se的二次相變行為，在原子尺度上觀察了晶界附近不同步相變的動態變化。微晶和納米Cu₂Se的相變行為不同的原因是晶界密度和晶界成核機制的不同。相變總是從晶界開始發生并延伸到晶粒內部。由于微晶Cu₂Se中的晶界密度相對較低，它們并不影響樣品整體的相變特性。但是，在具有高晶界濃度和小晶粒尺寸的納米晶Cu₂Se系統中，晶界結構在相變的過程中有十分重要的作用。原子尺度的觀測結合理論計算表明，晶界附近的新相形成的溫度與晶界能量有關。晶界能量的差異會造成納米晶材料中高溫和低溫相的共存，以及在晶粒內部形成非均勻的應變分布。我們的發現不僅適用Cu₂Se材料，對理解所有納米多晶體系相變材料的相變物理機制也有重要意義。

文章在網站上的鏈接和截圖：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202205715

本文通訊作者簡介

鄭坤，北京工業大學材料與制造學部副主任，教授、博士生導師。從事材料結構電子顯微學表征方向的研究，從微觀甚至原子尺度理解材料結構與宏觀特性的關聯，闡明其內在的物理機理。曾獲2011年全國百篇優秀博士學位論文，2012年入選“北京市科技新星計劃”，2015入選北京市高層次人才支持計劃青年拔尖人才，2018年入選北京市長城學者；作為主要完成人獲得2020年國家自然科學二等獎，2016年北京市科學技術一等獎，2007年全國高等院校十大科技進展。以第一/通訊在Nature Energy, Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Nature Communications，Nano Letters，Advanced Functional Materials, Applied Catalysis B: Environmental等國際重要SCI學術期刊發表學術論文。

楊磊，四川大學材料科學與工程學院副教授，博士生導師，四川省特聘專家。2016年8月獲澳大利亞昆士蘭大學博士學位； 2017年9月至2020年9月四川大學材料學院特聘副研究員，2020年10月至今四川大學材料科學與工程學院副教授。主要研究高性能熱電材料的納米化合成及表征、高性能室溫熱電材料和柔性熱電器件。至今在Advanced Materials, Advanced Energy Materials，Nano Today, Nano Energy，Chemical Engineering Journal, Acta Materialia，等高水平期刊上發表論文90篇，引用近5000次。