张泽：单晶Cu2Se纳米尺度相变行为与相界操控

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作为自然界中最基础的物理现象，相变已经被广泛地观察与研究，尤其是在纳米尺度。以朗道等人为先驱的二级相变理论（未考虑表面效应）可合理解释块体二级相变材料的相变行为。然而，当材料尺寸缩小到纳米量级时，比表面积显著增大，其表面效应便不能被忽略，因此有必要重新探究二级相变材料在纳米尺度上的相变行为。一些研究人员在理论上考察了当晶体具有二级相变时的表面行为，但在纳米尺度下表面对二级相变的贡献仍然没有从理论和实验上给出很好的解释。因此，在二级相变材料构成的纳米单晶中，两相能否热力学稳定共存仍不清楚，而这种现象根据朗道理论严格来说不可能出现于块体材料中。同时，目前也不清楚能否在二级相变材料中实现原子尺度的操控。而这两点对于理解纳米材料中的相变行为及潜在的纳米器件应用上都有着至关重要的作用。

近日，浙江大学材料学院张泽院士和王勇教授与中科院上海硅酸盐所陈立东、史迅研究员团队，美国伦斯勒理工学院张绳百教授，澳大利亚斯威本科技大学孙成华教授等人合作利用原位TEM技术研究了Cu2Se在纳米尺寸中的相变特性，在楔形纳米单晶中揭示了Cu2Se两相共存的现象。通过考虑两相之间的表面能差异和形状效应，建立了热力学模型解释了两相共存的原因。有趣的是，由于表面与形状效应，二级相变材料在不同的位置表现出不同的相变温度，这就为通过控制加热温度来实现对相界的原子尺度调控提供了可能。这些发现将对相变的理解向纳米尺度进一步扩展，并为合理调控纳米材料的相变提供了新的思路。该研究成果以题为“Nanoscale Behavior and Manipulation of the Phase Transition in Single-Crystal Cu2Se”发表于著名材料期刊Advanced Materials。


总之，α和β相热力学稳定共存在块体单晶中被认为是不可能存在的，而在楔形纳米Cu2Se单晶中存在这种现象。这种新的现象可以通过引入表面贡献得以解释，而且也首次验证了可以通过控制外部加热温度来原位实现相变的原子尺度调控。该工作不仅提供了一个用最先进的原位方法学在仔细设计的材料中研究基础物理现象的示例，而且展示了其在调控纳米材料的物理性质与改变表面/形状和块体之间的相互作用的能力用以合理地设计新的纳米器件。
文献链接：Nanoscale Behavior and Manipulation of the Phase Transition in Single‐Crystal Cu2Se (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201804919)