北京材料基因工程高精尖创新中心-热响应功能材料团队

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热响应功能材料团队

邢献然
陈骏
林鲲

【骨干成员】

邢献然 北京科技大学教授，杰青

陈骏北京科技大学教授，杰青

林鲲北京科技大学教授，副教授

【研究背景】

功能材料制备及使用均需在一定的温度场下进行。“热”能够引起原子和电子的振动，从而显著地改变材料的属性。热响应功能材料是指利用材料的热效应而实现某些特殊用途的材料，如尺寸精密的零膨胀功能材料、热电材料等，对精密仪器、航空航天等相关新材料的发展有重要的促进作用。然而热响应机理尚缺少统一的机理，这使得材料设计具有较大的挑战性。通过高通量制备和表征、材料零膨胀特性、磁热效应功能材料等材料基因工程研究方法加速对热响应材料的探索和研究。

【研究目标】

热响应功能材料受化学组分、晶体结构、声子、电子结构、化学成键等多种因素综合作用，材料基因工程技术将在揭示复杂机理及促进新材料设计中发挥重要的作用。探索热响应功能材料的ab-initial物性理论预测方法，发展系列高通量制备方法；基于高能同步辐射和中子源等大科学装置，实现包含衍射、散射、透射数据的高通量获取，为理论计算和模拟提供可靠的实验参数；在热响应功能材料的探索中取得重要突破，开发新型高性能热响应功能材料，如精密尺寸零膨胀合金等。

【主要研究内容】

1. 发展热响应功能材料的设计和高通量合成方法

2. 基于中子/X射线全散射技术对热响应功能材料结构信息的高通量获取

3. 热响应功能材料物理性能的“基因”研究

【重要研究进展】

基于材料基因工程的热响应功能材料研制

结合X射线吸收谱（XAFS）、原子对分布函数（PDF）和反向蒙特卡洛方法（RMC），从局域结构视角揭示了Pt-3d合金纳米材料中局域化学环境与热响应结构演变之间的“基因”关联。通过对PtNi纳米合金中化学元素分布统计，将局域化学有序与长程L1₀相有序之间的局域配位相似性与晶格热响应挂钩，找到了宏观晶格热膨胀与短程原子对键膨胀之间的辩证统一关系。借助RMC对纳米材料局域相和应变参数的剥离，提取出有序PtFe纳米材料中局域化学应变与负热膨胀强化之间的界面匹配关系，为进一步实现纳米材料热膨胀行为的人为设计、纳米器件热应力优化和实现零膨胀纳米材料的功能物性扩展提供了重要的结构模型支撑。

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图1 PtNi、PtFe合金纳米颗粒的原子对分布函数和反向蒙特卡洛拟合模型

一种材料晶格应变调控新方法

基于材料晶格应变工程，提出一种调节晶格应变的相界面新方法：具有相同晶体结构而晶格常数却不同的两种材料若生长成单一晶格常数的外延薄膜时，此时两种材料晶格之间必然受到相互间的应变调控。功能材料物理化学性质依赖于晶格的变化，调控材料的晶格应变可促使材料物理化学性质发生显著的变化，可广泛地应用在铁电、超导、巨磁阻、催化等领域。铁电材料的丰富性质都利用了铁电极化这一基本的功能基因。该团队在SrTiO₃基底上将不同晶格参数的PbTiO₃铁电体和PbO非铁电体形成晶格完全匹配的外延薄膜，实现了该想法。该方法将PbTiO₃的晶格畸变提升到c/a = 1.238，薄膜剩余极化值高达236.3 μC/cm²，是目前已知铁电体最高值的近2倍。总之，这种“相界面应变”方法为设计极化功能基因可控的铁电体提供了新思路，也可以应用在其他多功能材料的设计当中。相关研究成果发表在Science [2018, 361(6401):494—497]。

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图2 “相界面应变”制备极化功能基因可调的巨极化铁电体

团队成果

1. 发表论文

序号	论文名称	发表刊物	发表时间	收录类别	作者
1	Low-Frequency Phonon Driven Negative Thermal Expansion in Cubic GaFe(CN)6 Prussian Blue Analogues	INORGANIC CHEMISTRY	2018.09	SCI	Gao, Qilong; Shi, Naike; Sun, Qiang; Sanson, Andrea; Milazzo, Ruggero; Carnera, Alberto; Zhu, He; Lapidus, Saul H; Ren, Yang; Huang, Qingzhen; Jun Chen,* Xing, Xianran
2	Tunable Thermal Expansion from Negative, Zero, to Positive in Cubic Prussian Blue Analogues of GaFe(CN)6	INORGANIC CHEMISTRY	2018.11	SCI	Gao, Qilong; Shi, Naike; Sanson, Andrea; Sun, Yu; Milazzo, Ruggero; Olivi, Luca; Zhu, He; Lapidus, Saul H.; Zheng, Lirong; Chen, Jun;* Xing, Xianran
3	Local Chemical Strain in PtFe Alloy Nanoparticles	INORGANIC CHEMISTRY	2018.09	SCI	Qiang Li, He Zhu, Lirong Zheng, Hui Liu, Yang Ren, Na Wang, Jun Chen, Jinxia Deng, and Xianran Xing*
4	Charge transfer drives anomalous phase transition in ceria	NATURE COMMUNICATIONS	2018.12	SCI	He Zhu, Chao Yang, Qiang Li, Yang Ren, Joerg C. Neuefeind, Lin Gu, Huibiao Liu, Longlong Fan, Jun Chen, Jinxia Deng, Na Wang, Jiawang Hong* and Xianran Xing*
5	Large Negative Thermal Expansion Induced by Synergistic Effects of Ferroelectrostriction and Spin Crossover in PbTiO3‑Based Perovskites	CHEMISTRY OF MATERIALS	2019.01	SCI	Zhao Pan, Jun Chen*, Runze Yu, Lokanath Patra, Ponniah Ravindran , Andrea Sanson, Ruggero Milazzo, Alberto Carnera, Lei Hu, Lu Wang, Hajime Yamamoto, Yang Ren, Qingzhen Huang, Yuki Sakai, Takumi Nishikubo, Takahiro Ogata, Xi'an Fan, Yawei Li, Guangqiang Li, Hajime Hojo, Masaki Azuma , and Xianran Xing
6	Negative thermal expansion in cubic FeFe(CN)6 Prussian blue analogues	Dalton Transactions	2019.02	SCI	Naike Shi, Qilong Gao, Andrea Sanson, Qiang Li, Longlong Fan, Yang Ren, Luca Olivi, Jun Chen* and Xianran Xing

2. 授权与申请专利

（2）申请专利

序号	专利名称	专利申请号	获准国别	完成人	类型	申请日期
1	Gd、Fe掺杂DyCo2和HoCo2型Laves相零膨胀金属间化合物及制备方法	201810996010.3	中国	邢献然、胡靳羽、林鲲、曹宜力、李文杰、余成意	发明专利	2018.08.29