我国学者在共价类晶体形变孪晶研究方面取得进展

　　

图 （a）cBN晶体中“连续切变”介导形变孪晶过程的原子分辨透射电子显微镜（TEM）动态表征;（b）GeSe晶体中可逆孪晶诱发超弹性的原子分辨TEM动态表征

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52288102、52090022）等资助下，燕山大学田永君教授团队与浙江大学杨卫教授团队、南京大学袁洪涛教授团队合作，在共价键和共价-范德华混合键两类晶体的形变孪晶机制研究方面取得进展。

　　晶体形变机制研究传统上集中于金属及其合金领域。共价类晶体由于共价键的高强度、方向性和电子局域性特征，其形变机制可能与金属晶体存在显著差异。到目前为止，关于共价类晶体的形变机制及其与力学性能的关联性尚不明确。

　　田永君教授团队及合作者利用自主研发的原位微纳米力学实验平台，在立方氮化硼（cBN）晶体中激活了形变孪晶，提出了一种与金属晶体中位错逐层滑移完全不同的“连续切变”机制。cBN晶体通过（111）晶面原子的集体切变获得孪晶，形成多层原子的“过渡带”，有效承载大应变并延缓裂纹萌生（图a）。激活形变孪晶的cBN亚微米柱体展现出卓越的力学性能：断裂应变率达到55%，强度突破92GPa，分别是单晶的55倍和17倍，相较传统机制提升了2倍以上。这种“连续切变”机制也存在于金刚石中，表明其在硬脆共价类晶体材料中具有一定普适性。研究成果以“Activating deformation twinning in cubic boron nitride”为题，于2025年2月发表在《自然·材料》（Nature Materials）上。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-02111-8。

　　此外，研究团队利用原位动态观测技术研究了共价-范德华混合键型层状晶体GeSe在拉伸过程中的形变行为，发现了伴随形变行为出现和消失的、具有可逆性的条状孪晶畴（图b）。应力-应变曲线的非线性特征以及加载-卸载循环中的回滞现象进一步表明GeSe晶体具有超弹性。这种超弹性仅在Zigzag方向±30°范围内发生，展现出显著的方向选择性。GeSe晶体中由可逆孪晶诱发的超弹性具有独特的优势：应变分布均匀，无体积变化，最大拉伸应变高达12.8%，优于传统马氏体相变诱发的超弹性。研究表明，可逆孪晶超弹性在IV-VI族层状半导体材料中具有普适性。研究成果以“Reversible shuffle twinning yields anisotropic tensile superelasticity in ceramic GeSe”为题，于2025年4月发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-025-01902-7。

　　上述发现揭示了共价类晶体独特的形变机制，突破了传统金属晶体形变理论的认知框架。这些研究不仅拓展了弹塑性形变机制的研究范畴，还为高性能超弹性材料的探索提供了新的理论视角，并为未来新型材料的设计与开发开辟了新路径。