1、金屬所學(xué)者發(fā)現(xiàn)金屬中的“負(fù)能界面”，極限納米金屬再獲突破性進展

金屬材料的強化是材料科學(xué)的核心問題。細(xì)化晶粒是一種提高材料強度的有效方式，大量晶界阻礙位錯運動，強度顯著提升。孿晶強化作為另一種重要策略，通過低能共格界面有效阻礙位錯運動，已在金屬、半導(dǎo)體及陶瓷中得到驗證。然而，當(dāng)這些結(jié)構(gòu)的尺寸降至 10-15 nm時，晶界滑移、遷移等行為主導(dǎo)塑性變形過程，孿晶界在應(yīng)力或溫度作用下易退孿生，導(dǎo)致材料出現(xiàn)“尺寸軟化”。突破這一瓶頸，進一步提升金屬材料強度接近理論極限，亟需發(fā)展新的強化策略。

在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項和國家自然科學(xué)基金杰出青年基金等項目資助下，中國科學(xué)院金屬研究所李秀艷研究員、盧柯院士與遼寧材料實驗室研究團隊合作，創(chuàng)新性提出并實現(xiàn)了“納米負(fù)能界面”強化新策略，在鎳基合金中成功構(gòu)筑極高密度穩(wěn)定界面，顯著提升材料剛度，使材料強度逼近理論極限。相關(guān)成果以“納米負(fù)能界面強化鎳基合金（Strengthening Ni alloys with nanoscale interfaces of negative excess energy）”為題，于2025年11月6日發(fā)表于《Science》雜志上。

圖 通過在鎳基過飽和固溶體合金中構(gòu)筑極高密度穩(wěn)定的“負(fù)能界面” (A, B)， 有效阻礙位錯及界面運動，完全抑制塑性變形，顯著提升楊氏模量(C, D)，提升材料強度接近理論極限。

研究團隊通過電化學(xué)沉積結(jié)合非晶晶化方法，在Ni(Mo)過飽和固溶體中構(gòu)筑了高密度納米孿晶和層錯（圖A）。球差校正透射電鏡揭示出晶粒內(nèi)部由面心立方(ABCABC)與密排六方(ABAB)交替堆垛的高密度穩(wěn)定界面，層片間距最小僅約0.7 nm。密度泛函理論計算結(jié)果（圖B）顯示，ABCABC/ABAB界面為“負(fù)能界面”（?8.7至?19.5 mJ/m2），具有本征的熱力學(xué)穩(wěn)定性。微柱壓縮實驗（圖C）顯示，該材料在加載過程中保持完全彈性響應(yīng)，屈服強度高達5.08 GPa，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)納米晶與納米孿晶鎳基材料，接近理論強度極限。與此同時，楊氏模量隨負(fù)能界面密度升高顯著提升，最高達254.5 GPa（圖D），超過相同成分的非晶態(tài)與金屬間化合物。負(fù)能界面的形成不僅阻礙位錯滑移與晶界遷移，還通過界面區(qū)域電子密度重排增強了原子鍵合剛度，實現(xiàn)了強度與剛度的同步提升。從Ashby強度-模量關(guān)系圖（圖E）可見，納米負(fù)能界面Ni(Mo)合金的強度位于E/40–E/50區(qū)間，接近理論強度，與陶瓷材料相當(dāng)。根據(jù)密度泛函理論計算，其他鎳基二元體系（如Ni-W、Ta、Nb、Mn和V）共格界面也具有負(fù)過剩能。納米“負(fù)能界面”強化策略可廣泛應(yīng)用于多種材料體系。此項突破性成果的核心價值在于，它首次揭示了通過構(gòu)筑極限尺度的穩(wěn)定“負(fù)能界面”，可以有效調(diào)控晶體材料的原子鍵合狀態(tài)，從而同時實現(xiàn)材料強度和模量的跨越式提升。這不僅是金屬強化理論的重大革新，也為未來設(shè)計開發(fā)接近理論強度極限的新一代超強超穩(wěn)金屬材料提供了全新的科學(xué)原理和技術(shù)路徑。

文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea4299

2、半導(dǎo)體所研制出光電轉(zhuǎn)換效率超過27%的鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池因其易于低成本印刷制備且具有高光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢，被視為新一代太陽能電池的典型代表，發(fā)展前景廣闊。經(jīng)過十余年的快速發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)換效率已從最初的3.8%提升至超過26%，逼近單晶硅太陽能電池水平，但與理論極限效率仍存在一定差距。實現(xiàn)高效率鈣鈦礦太陽能電池的關(guān)鍵要素之一是制備高質(zhì)量鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜。甲基氯化銨（MACl）因能同時降低鈣鈦礦成核勢壘并促進晶體高質(zhì)量生長，被廣泛作為鈣鈦礦薄膜生長的輔助材料。

近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所游經(jīng)碧研究員領(lǐng)導(dǎo)的團隊發(fā)現(xiàn)基于MACl制備的鈣鈦礦薄膜存在垂直方向上氯分布的不均勻的問題，主要原因是MACl中的氯離子在鈣鈦礦結(jié)晶過程中迅速遷移至上表面引起富集。這種不均勻的氯分布會誘發(fā)鈣鈦礦上表面產(chǎn)生缺陷和界面電子勢壘，引起載流子復(fù)合損失，阻礙載流子輸運，制約了器件光電轉(zhuǎn)換效率的進一步提升，同時影響其長期運行穩(wěn)定性。

針對傳統(tǒng)生長方法導(dǎo)致鈣鈦礦中氯元素分布不均的問題，團隊提出了垂直方向均勻化氯元素分布的策略（HVCD）：通過在鈣鈦礦薄膜生長中引入堿金屬草酸鹽，利用解離出的鉀離子與氯離子之間的強結(jié)合作用，有效束縛氯元素的垂直無序遷移，使其在鈣鈦礦材料中均勻分布?；谶@一方法，研究團隊成功制備出載流子壽命高達20微秒，界面缺陷態(tài)密度低至1013每立方厘米的鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜，顯著抑制了由鹵素Cl元素上表面富集引起的載流子復(fù)合（圖1），并消除了界面電子勢壘。

圖1、 (A-B) 氯離子均勻化前后鈣鈦礦上下表面的光致發(fā)光光譜，(C) 氯離子均勻化前后鈣鈦礦的載流子壽命，(D-E) 均勻化調(diào)控前后各離子在垂直方向上的分布情況，(F) 均勻化調(diào)控前后鈣鈦礦薄膜垂直方向上缺陷態(tài)密度分布情況，(G) 堿金屬草酸鹽實現(xiàn)氯離子均勻化分布調(diào)控的機理示意圖。

基于所開發(fā)的氯元素均勻分布的鈣鈦礦薄膜，團隊研制出經(jīng)多家權(quán)威機構(gòu)認(rèn)證、光電轉(zhuǎn)換效率為27.2%的鈣鈦礦太陽能電池原型器件。器件在1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光和最大功率輸出點條件下持續(xù)運行1529小時后，仍保持初始效率的86.3%。此外，器件在1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光與85℃光熱耦合加速老化條件下，持續(xù)運行1000小時后仍能維持初始效率的82.8%（圖2）。該研究實現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池效率與穩(wěn)定性方面的協(xié)同提升，將為其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供重要支撐。

圖2、(A) 參考器件和氯均勻化器件在標(biāo)準(zhǔn)太陽光條件下的電流-電壓曲線（正反向測量），（B）參考器件和氯均勻化器件穩(wěn)態(tài)輸出效率曲線，（C）參考器件和氯均勻化器件1529小時穩(wěn)態(tài)輸出效率曲線（40-50℃，1個太陽光），（D）參考器件和氯均勻化器件在85℃條件下老化的歸一化效率變化情況，(E) 參考器件和氯均勻化器件在1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光和85℃耦合條件穩(wěn)態(tài)輸出歸一化效率變化情況（用于熱穩(wěn)定性和加速老化測試的器件為非標(biāo)準(zhǔn)工藝制備）。

該研究成果以“Homogenized chlorine distribution for >27% power conversion efficiency in perovskite solar cells”為題，發(fā)表于《科學(xué)》（Science）期刊（Science, 2025, 390，638-642）。半導(dǎo)體所博士后熊壯為論文第一作者，博士生張謙為共同第一作者，游經(jīng)碧研究員為通訊作者，半導(dǎo)體所張興旺研究員、蔣琦研究員以及蘇州大學(xué)李耀文教授等為論文共同作者。該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃、國家自然科學(xué)基金委聯(lián)合基金集成項目以及廈門豐熤光電科技有限公司等的資助。

文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw8780

來源：中國科學(xué)院金屬研究所、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所