卡爾斯魯厄理工學院 & 南方科技大學最新發現： 室溫宏觀塑性鈣鈦礦氧化物KTaO3

2024年7月，德國卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology, KIT)方旭飛研究員團隊和南方科技大學機械與能源工程系逯文君研究員團隊等聯合在國際陶瓷領域旗艦期刊《Journal of the American Ceramic Society》(美國陶瓷學會會刊) 上發表了題為“Room-temperature bulk plasticity in KTaO₃ and tunable dislocation densities”的論文（主編推薦論文），報道了一種具有室溫塑性且可調控位錯密度及塑性變形區大小的鈣鈦礦氧化物單晶鉭酸鉀KTaO₃ (大塊樣品室溫塑性~6%，屈服強度~274 MPa)，這是目前報導的第三種具有室溫宏觀塑性的鈣鈦礦氧化物陶瓷材料。該工作通過室溫Brinell球形壓頭循環加載以及循環刻劃的方法，在 (001) 面取向的KTaO₃單晶上實現了室溫位錯的引入和對塑性變形區大小的控制，以及對KTaO₃單晶內部的位錯結構及位錯密度調控。進一步的室溫塊體壓縮實驗表明KTaO₃展現出了良好的室溫塑性 (~6%)。這一系列的發現有望進一步推動基于位錯調控的功能陶瓷室溫塑性變形的研究。

論文鏈接：https://doi.org/10.1111/jace.20040

先進結構和功能陶瓷在現代工業中的重要性不言而喻。陶瓷材料在室溫條件下通常以脆性變形為主導。與金屬材料相比，陶瓷材料中較強的共價鍵和離子鍵導致其在室溫下幾乎或者很少具備位錯滑移和運動的能力，而位錯 (晶體材料中的線缺陷) 則是晶體材料塑性變形的主要載體。除巖鹽結構的晶體 (如氟化鋰LiF、氯化鈉NaCl和氯化鉀KCl) 以及單晶氧化鎂MgO等在室溫下能發生位錯主導的塑性變形之外，其他能在室溫下發生宏觀塑性變形的陶瓷材料則鮮有報道和研究。在鈣鈦礦結構的氧化物中，此前僅有鈦酸鍶SrTiO₃ [1] (2001年報道)和鈮酸鉀KNbO₃ [2] (2016年報道)在室溫下表現出宏觀塑性變形。近年來，隨著研究者越來越關注利用位錯來調節陶瓷材料力學性能和功能性[3]，發現更多具有室溫塑性的陶瓷材料，并通過對其內部位錯結構及密度進行調制[4]，進而實現對其力學性能和功能性調控，在功能和結構陶瓷領域都具有非常大的研究意義及應用前景。

為此，方旭飛研究員團隊及逯文君研究員團隊通過在室溫下利用大尺寸Brinell球形壓頭(直徑~2.5 mm) 在 (001) 晶面的KTaO₃塊體材料上進行循環加載實驗，發現隨著循環加載次數的提高，KTaO₃單晶表面產生的沿 [100] 及 [010] 方向所產生的滑移線密度逐漸提高，所產生的塑性變形區的深度也隨之增加且無裂紋產生，結果如圖1所示。值得注意的是，與經過循環刻劃后的KTaO₃單晶表面所產生的滑移帶密度的增加相對應的，則是圖2中透射電顯微鏡TEM所觀察到的位錯密度的提高。

圖1. KTaO₃單晶 (001) 表面經過Brinell球形壓頭室溫循環加載及循環刻劃后，表面塑性變形區域的激光顯微鏡圖及截面形貌分布。

圖2. KTaO₃單晶1次及10次循環刻劃后的內部位錯形貌透射電鏡表征結果。

該工作進一步通過宏觀單軸壓縮實驗證實了KTaO₃單晶的室溫宏觀塑性變形能力。如圖3中應力-應變曲線及對應的變形在線觀測所示，該材料在單軸壓縮條件下由于 <110>{1-10} 滑移系的開動能夠達到~6%的塑性變形，屈服強度在270 MPa左右。與此同時，(001) KTaO₃單晶屈服后出現了“下屈服點”(~250 MPa，圖3A)，展現出與此前報道的SrTiO₃及KNbO₃不同的塑性變形應力-應變行為。

圖3. KTaO₃單晶沿<001>方向的室溫單軸壓縮結果。

在該研究工作中，確定KTaO₃室溫位錯塑性的基本機制仍然是一個懸而未決的問題。鑒于近年來鈣鈦礦氧化物 (KTaO₃、SrTiO₃等) 以及氧化物中位錯在壓電、催化、熱電、超導等領域的快速發展，該基礎研究結果有望鋪墊對鈣鈦礦氧化物位錯調控力學性能和功能性的研究，在功能陶瓷和電子器件等技術領域發揮關鍵作用。

方旭飛研究員和南方科技大學博士生張家雯為共同第一作者，方旭飛研究員和逯文君研究員為通訊作者。室溫Brinell球形壓頭循環加載、循環刻劃實驗及樣品表面形貌分析由卡爾斯魯厄理工學院博士生Alexander Frisch、Chukwudalu Okafor以及達姆施塔特工業大學博士生Oliver Preu?等完成；室溫壓縮及TEM表征等由南方科技大學張家雯完成。該工作獲得歐洲研究委員會 (ERC)、德國研究聯合會 (DFG) 資助、捷克科學基金會、深圳市科技計劃項目、國家自然科學基金以及廣東省基礎與應用基礎研究基金的資助與支持。該工作同時受德國Project DEAL資助，免費開放獲取 (Open Access)。

【招聘信息】

方旭飛與逯文君課題組長期招聘聯合培養博士后，有意者請將個人簡歷 (PDF) 等相關材料發送至xufei.fang@kit.edu和luwj@sustech.edu.cn，郵件標題請注明“姓名+畢業學校+應聘職位”。

【團隊介紹】

方旭飛研究員及團隊介紹：

方旭飛，博士生導師，本科(2011)和博士(2016)畢業于清華大學。2016-2019受德國洪堡博士后獎學金資助在德國馬克斯普朗克鋼鐵研究所(Max-Planck-Institut für Eisenforschung)開展博士后工作。2019-2024在德國達姆施塔特工業大學(TU Darmstadt)以雅典娜學者的身份領導課題組 (博導及獨立授課資格)，開展室溫陶瓷位錯力學相關研究工作。自2021.08起在日本大阪大學(Osaka University)擔任客座副教授。自2024.04起在德國卡爾斯魯厄理工學院 (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) 以長聘課題組組長身份開展獨立研究工作。2024.05通過德國教授資格考試 (Habilitation)，獲獨立指導博士生及授課資格。自2019年起，獨立主持歐盟研究委員會 (European Research Council, ERC) 項目一項 (150萬歐元，2023-2028)，德國研究聯合會 (DFG) 項目兩項 (共計約65萬歐元，2019-2023; 2023-2025)。2024年起擔任美國陶瓷學會期刊(Journal of the American Ceramic Society)客座編輯。

所領導的團隊目前的研究興趣主要集中于室溫陶瓷位錯力學及功能調控，氫脆，微納米力學，多場耦合條件下材料的變形及失效。團隊的教學和研究成果目前獲得的獎項包括Robert W. Cahn Best Paper Prize (Journal of Materials Science, Springer, 2022), 達姆施塔特工業大學最佳教學獎，美國陶瓷學會 “2^nd Century Trailblazers” (Journal of the American Ceramic Society, Wiley, 2023)，德國陶瓷學會年會最佳海報獎(2022)，美國陶瓷學會年會Roland B. Snow海報獎 (2023),德國材料學會、歐洲材料學會最佳碩士論文獎 (2024)等。

逯文君研究員及團隊介紹：

逯文君研究員于2020年10月加入南方科技大學獨立建組，任博士生導師。主要研究領域為金屬材料的結構亞穩化、高強輕質化及多維表征技術的研究，在亞穩多主元合金的強韌化設計、新型高強輕質鋼的開發、以及多維電鏡表征方法三方面取得了一系列創新性的研究成果。近年來，在Nature Materials, Advanced Materials, Nature Communications, Science Advances, Advanced Functional Materials, Physical Review Letters, Acta Materialia等期刊上發表論文100余篇。先后獲得國家級青年人才、深圳市海外高層次人才以及新材料國際發展趨勢高層論壇優秀青年科學家獎（2021）。擔任《Materials Research Letters》、《Advanced Powder Materia》、《中國有色金屬學報》與《粉末冶金材料科學與工程》期刊青年編委；連續三年（2021 -2023）入選全球前2%頂尖科學家名單。

【相關文獻鏈接】

[1] D. Brunner, S. Taeri-Baghbadrani, W. Sigle, M. Rühle, Surprising results of a study on the plasticity in strontium titanate, Journal of the American Ceramic Society 84(5) (2001) 1161-1163.

[2] A.F. Mark, M. Castillo-Rodriguez, W. Sigle, Unexpected plasticity of potassium niobate during compression between room temperature and 900°C, Journal of the European Ceramic Society 36(11) (2016) 2781-2793.

[3] X. Fang, A. Nakamura, J. R?del, Deform to perform: Dislocation-tuned properties of ceramics, ACerS Bulletin 102(5) (2023) 24-29.

[4] X. Fang, Mechanical tailoring of dislocations in ceramics at room temperature: A perspective, Journal of the American Ceramic Society 107(3) (2024) 1425-1447.