冷烧结工艺（CSP）在量子陶瓷与拓扑材料制备中的突破性应用及其界面工程前景

本综述系统阐述了冷烧结工艺（Cold Sintering Process, CSP）作为一种革命性低温陶瓷制备技术，在量子陶瓷（如Bi2Se3、MnBi2Te4等）和拓扑材料制备中的独特优势。通过瞬态溶剂介导传质与压力辅助致密化机制，CSP能在<300°C条件下保持材料拓扑保护特性与强自旋-轨道耦合（Spin-Orbit Coupling），为量子器件制造提供高保真度解决方案。

　　

Section snippets

Introduction: Cold sintering meets quantum ceramics

冷烧结技术与量子陶瓷的相遇

拓扑与量子材料（包括Bi₂Se₃、Bi₂Te₃、MnBi₂Te₄、Sr₂IrO₄和钇铁石榴石YIG等多样化化合物）因其非常规电子与磁基态而站上凝聚态物理研究前沿。这些材料展现出包括鲁棒的自旋动量锁定表面态、量子反常霍尔效应（Quantum Anomalous Hall Effect）、轴子电动力学以及自旋-轨道纠缠莫特绝缘行为等现象。这些特性构成了新一代量子计算和自旋电子器件的物理基础。

Mechanisms of cold sintering

冷烧结机制揭秘

CSP代表了一种区别于传统陶瓷烧结热激活扩散机制的致密化新范式。它不依赖高温（>800°C）下的晶格扩散系数驱动原子迁移，而是通过高压单轴压力、瞬态液相辅助传质和表面能降低的协同作用，在通常低于300°C的温度下实现粉末快速 consolidation（致密化）。

Why cold sintering is suited for topological and quantum ceramics

冷烧结为何适合量子陶瓷？

处理量子与拓扑材料的核心挑战在于保护支撑其涌现电子现象的微妙晶格对称性、化学计量比和自旋-轨道纠缠。传统陶瓷烧结通常需要经历超过800–1200°C的高温，这些脆弱属性在此条件下常发生不可逆降解。硫族元素（如Se、Te）的挥发、结构相变和阳离子偏析会破坏拓扑保护表面态，而强自旋-轨道耦合材料（如铱酸盐）对氧空位和晶格畸变极度敏感。

Current applications of cold sintering in functional oxides: Foundations for extending to quantum ceramics

功能氧化物中的冷烧结应用：迈向量子陶瓷的基石

尽管CSP在拓扑绝缘体中的直接实证仍有限，但在常规功能氧化物中取得的显著成功提供了强有力的科学先例。过去十年间，CSP已从实验奇观转变为适用于广泛电陶瓷、磁性尖晶石和复合体系的可行使密化方法。这些研究为CSP适配量子材料提供了关键机理见解和实践基准。

Research directions: Materials, microstructures, and integration strategies for quantum ceramics

研究方向：量子陶瓷的材料、微结构与集成策略

尽管存在令人信服的理论基础和氧化物系统的成功实证，将CSP扩展到量子陶瓷仍需克服独特的科学与工程壁垒。拓扑绝缘体、自旋-轨道莫特绝缘体和磁性拓扑相具有独特的敏感性——化学计量比、氧化态和层间键合——这些都必须通过CSP加以保留。本节概述了适配这些材料的优先研究方向，强调溶剂设计、微观结构控制和界面工程。

Integration concepts: Cold sintering with advanced manufacturing and quantum device architectures

集成概念：冷烧结与先进制造及量子器件架构的融合

虽然CSP本质上是致密化工艺，但其最具变革性的潜力在于与先进制造策略相结合。这些集成概念提供了实现复杂多层图案化量子器件的路径，这是其他技术无法实现的。本节详细阐述了CSP如何与增材制造、机器学习优化和混合组装技术协同作用，以创造下一代量子陶瓷。

Comparative analysis: Cold sintering vs. conventional processing for quantum ceramics

对比分析：量子陶瓷的冷烧结与传统处理工艺

传统烧结与CSP之间的选择取决于热能、机械力和化学控制之间的权衡。对于量子陶瓷和拓扑材料，这种平衡决定了微妙相和涌现特性是被保留还是被破坏。本节系统比较了两种范式，强调为何CSP能独特地克服历史上限制块体量子陶瓷制备的壁垒。

Conclusion

结论展望

CSP为实现致密、相纯且微观结构工程化的量子陶瓷提供了一条根本性新途径。通过利用低温溶剂介导致密化，CSP直接解决了传统烧结的局限性——挥发损失、相分解和界面降解。功能氧化物和范德瓦尔斯材料中的早期证据提供了令人信服的概念验证。然而真正的突破将来自于证明CSP不仅能 consolidating（致密化）更能 enhance（增强）量子材料的性能。