南京大學(xué)化學(xué)學(xué)院Nature！西安交通大學(xué)Nature！

1、《自然》發(fā)文！南京大學(xué)徐偉高教授團(tuán)隊(duì)解鎖光學(xué)制冷新路徑

近日，南京大學(xué)化學(xué)學(xué)院徐偉高教授團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)熊啟華教授、高華健教授等團(tuán)隊(duì)展開合作，從調(diào)控二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的層間耦合相互作用入手，提出了一種基于聲子輔助界面電荷轉(zhuǎn)移的新型光學(xué)制冷（ICT-driven optical cooling）的新機(jī)制，并成功進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。相關(guān)成果以“Optical cooling by interfacial charge transfer in 2D heterostructures”為題于2026年6月24日在線發(fā)表于《自然》。

研究背景

固體激光制冷技術(shù)為量子材料與微納電子系統(tǒng)提供了一條極具前景的無制冷劑控溫途徑。目前，主流的固體激光制冷機(jī)制主要由聲子輔助的上轉(zhuǎn)換熒光主導(dǎo)。然而，該機(jī)制對(duì)材料的要求極為苛刻，必須滿足接近1的外量子效率和接近0的寄生吸收。這些嚴(yán)苛條件此前只在極少數(shù)半導(dǎo)體材料中得以實(shí)現(xiàn)，如硫化鎘納米帶和部分鹵素鈣鈦礦晶體。而二維半導(dǎo)體的外量子效率通常不到10%，盡管實(shí)驗(yàn)中觀察到聲子輔助的熒光上轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，但尚未有激光制冷的實(shí)驗(yàn)嘗試。

研究突破

為了突破這一瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，探索了界面電荷轉(zhuǎn)移作為非輻射熱提取路徑的可行性。研究團(tuán)隊(duì)首先提出了界面電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)激光制冷的實(shí)驗(yàn)設(shè)想（圖1）。在Ⅱ型能帶結(jié)構(gòu)的二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中，通過調(diào)控異質(zhì)結(jié)界面耦合狀態(tài)，在保持高電荷轉(zhuǎn)移效率的同時(shí)，引入動(dòng)量失配條件，在電子給體組分中實(shí)現(xiàn)晶格聲子能量提取（表現(xiàn)為表觀電荷轉(zhuǎn)移勢壘）；同時(shí)，系統(tǒng)利用界面處的巨大熱阻有效阻斷熱量的回流，實(shí)現(xiàn)單向熱流。

圖1 界面電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)光學(xué)制冷策略及WSe2/MoSe2異質(zhì)結(jié)中WSe2組分的反常聲子布居

在典型Ⅱ型能帶結(jié)構(gòu)二維異質(zhì)結(jié)體系如WSe2/MoSe2中，團(tuán)隊(duì)通過干法定點(diǎn)轉(zhuǎn)移技術(shù)精準(zhǔn)調(diào)控層間距與扭轉(zhuǎn)角，成功構(gòu)建了處于“居間耦合（intermediate coupling）”狀態(tài)的異質(zhì)結(jié)。與強(qiáng)耦合和弱耦合異質(zhì)結(jié)樣品不同，處于居間耦合狀態(tài)的WSe2組分在光激發(fā)下，表現(xiàn)出反斯托克斯/斯托克斯拉曼強(qiáng)度比（IaS/IS）顯著下降和熒光譜峰藍(lán)移等低溫光譜特征。這些實(shí)驗(yàn)特征共同指向WSe2組分在異質(zhì)結(jié)中相對(duì)于環(huán)境溫度的凈制冷。

為了獲取局域晶格溫度，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了系統(tǒng)的拉曼光譜測溫校正、異質(zhì)結(jié)組分溫度測量和環(huán)境依賴的制冷行為研究（圖2），確認(rèn)了異質(zhì)結(jié)層間亞納米尺度上的極高溫度梯度。結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬分析，團(tuán)隊(duì)探討了界面熱阻隨層間距的指數(shù)級(jí)依賴變化趨勢，為理解微觀耦合態(tài)差異如何協(xié)助維持層間溫差提供了理論參考。

圖2 拉曼光譜測溫方法及環(huán)境依賴的制冷行為

研究成果

在微觀動(dòng)力學(xué)機(jī)制方面，跨界面電荷轉(zhuǎn)移是否真實(shí)涉及聲子參與是驗(yàn)證該假說的核心（圖3）。研究團(tuán)隊(duì)利用泵浦-探測瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)，對(duì)WSe2/WS2體系的超快層間電荷轉(zhuǎn)移與載流子復(fù)合動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了溫度依賴性追蹤。實(shí)驗(yàn)清晰地觀測到，隨著溫度從298 K降至10 K，電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間由約56 fs增加至114 fs。這一溫度依賴的動(dòng)力學(xué)行為表明界面電荷轉(zhuǎn)移過程存在表觀能壘，需要消耗聲子（吸收熱量）才能完成。同時(shí)，極高的電荷轉(zhuǎn)移效率有效抑制了層內(nèi)熱載流子的非輻射弛豫發(fā)熱。

圖3 不同層間耦合異質(zhì)結(jié)中聲子介導(dǎo)的電荷分離和復(fù)合超快動(dòng)力學(xué)

與傳統(tǒng)基于熒光上轉(zhuǎn)換的激光制冷機(jī)制不同，界面電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)的光學(xué)制冷展現(xiàn)出了較高的激發(fā)條件自由度和材料寬容度（圖4）。雙光束擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)和功率依賴測試表明，該機(jī)制不僅擺脫了對(duì)精確調(diào)諧共振激發(fā)的依賴，在較寬的波長與功率范圍內(nèi)均能維持制冷效果，且有效繞過了傳統(tǒng)機(jī)制對(duì)高外量子效率（PLQY）的嚴(yán)苛要求。即便是在PLQY僅為0.1%左右的化學(xué)氣相沉積（CVD）生長的WSe2樣品中，拉曼光譜仍然呈現(xiàn)了低溫特征。

圖4 界面電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)光學(xué)制冷的激發(fā)條件和材料容忍度

該研究在二維半導(dǎo)體體系中成功驗(yàn)證了界面電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)的光學(xué)制冷作為上轉(zhuǎn)換熒光制冷替代方案的科學(xué)可行性，將熱能提取途徑拓展至非輻射通道，為開發(fā)微納光電與量子器件的無制冷劑熱管理系統(tǒng)提供了新的切入點(diǎn)。

論文信息

南京大學(xué)博士生林佳敏、清華大學(xué)博士生項(xiàng)白絮、劉人廣、南京大學(xué)博士生凌巾洋為論文共同第一作者，南京大學(xué)徐偉高教授、清華大學(xué)熊啟華教授、高華健教授為論文共同通訊作者，南方科技大學(xué)林君浩、東南大學(xué)章琦、廈門大學(xué)王行之、南京大學(xué)王偉、萬昌錦團(tuán)隊(duì)分別在截面球差校正電子顯微鏡表征、熒光量子效率測試、數(shù)據(jù)分析與機(jī)制討論方面給予了支持。該工作的第一通訊單位為南京大學(xué)化學(xué)學(xué)院、生命分析化學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和介觀化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、新基石科學(xué)基金等項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10662-w

2、西安交通大學(xué)，《Nature》發(fā)文！

西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出2000至2400 ℃超高溫區(qū)承載的塑性合金，該研究成果在線發(fā)表于《自然》（Nature），為新一代超高溫合金的開發(fā)提供了新思路。

□ 論文標(biāo)題：“Ductile alloys offering 100 MPa tensile strength at 2400 ℃”（在2400 ℃仍具有100 MPa拉伸強(qiáng)度的塑性合金）

□ 作者信息：西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生薛敏濤為論文第一作者，李蘇植教授、丁向東教授、馬恩教授和孫軍院士為論文共同通訊作者，參與該工作的還包括博士生王靜和李金陽。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是該論文的唯一作者單位和通訊單位。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金、111引智基地等資助。

□ 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10708-z

航空航天領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)金屬結(jié)構(gòu)材料在超高溫環(huán)境的承載能力提出了嚴(yán)苛要求，一些關(guān)鍵耐熱部件的工作溫度甚至超過2000 ℃，遠(yuǎn)高于包括鎳基高溫合金在內(nèi)的多數(shù)金屬材料的熔點(diǎn)。目前僅難熔金屬有望滿足超高溫服役要求，其中，鉭合金因其較高的熔點(diǎn)（~3000 ℃）和綜合性能是屈指可數(shù)的備選材料。但是，已有鉭合金高溫強(qiáng)度不足，難以滿足極端環(huán)境承載要求，如NASA早期開發(fā)的商用T-222合金，在1926 ℃下的拉伸強(qiáng)度已不足100 MPa。其根源在于金屬材料普遍面臨著高溫軟化行為，當(dāng)服役溫度達(dá)到材料0.5~0.6 Tm（Tm為絕對(duì)溫度熔點(diǎn)），擴(kuò)散加劇使得材料內(nèi)部的微觀組織發(fā)生顯著演化，室溫下行之有效的強(qiáng)化機(jī)制大大衰減。以上述碳化物強(qiáng)化的T-222鉭合金為例，強(qiáng)化相在熱-力耦合驅(qū)動(dòng)下易發(fā)生粗化；而且，隨著溫度上升，碳在基體中的溶解度大幅提高，部分碳化物顆粒回溶于基體，極大削弱了第二相對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，導(dǎo)致高溫強(qiáng)度下降。此外，合金不僅僅需要具備較高的超高溫強(qiáng)度，還需在近室溫下具有良好塑性，以滿足復(fù)雜形狀構(gòu)件的加工需求。如何實(shí)現(xiàn)超高溫強(qiáng)度與室溫塑性二者“魚和熊掌兼得”，是當(dāng)今高溫合金面臨的巨大挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一難題，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)基于一種特殊的硼干預(yù)的原位氧化反應(yīng)（圖1），有效調(diào)控了第二相的尺寸和分布，設(shè)計(jì)并制備出一種新型的氧化物彌散強(qiáng)化鉭合金（B-ODS鉭合金），兼具有優(yōu)異的室溫拉伸塑性、超高溫拉伸強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。該合金以體心立方結(jié)構(gòu)的Ta-12W-1Re（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為基體，在熔煉過程中有目的地加入少量HfB2，使其與合金基體中的氧發(fā)生選擇性氧化反應(yīng)，形成生成焓非常負(fù)的HfO2，并釋放出B原子。B在鉭基體中的擴(kuò)散速率很高，快速擴(kuò)散到晶界并占據(jù)間隙位置，有效阻礙了氧化物顆粒在晶界處形核，促進(jìn)了其在晶粒內(nèi)的均勻析出。同時(shí)，隨著氧化產(chǎn)物HfO2顆粒的形成，B還將快速富集在這些顆粒與基體之間的界面處，減緩氧化物的長大從而將其尺寸限制在幾十納米尺度。由此，在晶粒內(nèi)高密度、均勻彌散地析出了由B包覆的HfO2第二相（圖2）。

▲ 圖1 硼干預(yù)的原位氧化反應(yīng)示意圖，在鉭合金晶粒內(nèi)引入了高密度、均勻彌散分布的由B原子包覆HfO2的新型納米顆粒。

▲ 圖2 新型B-ODS鉭合金的微觀組織。a，晶粒形貌。b，晶內(nèi)彌散分布的納米顆粒。c，析出相和基體的幾何相位分析，顯示局部應(yīng)變分布。d，不同元素的空間分布，表明Hf、O在納米顆粒內(nèi)富集。e，析出相與基體界面形貌，插圖為析出相的快速傅里葉變換。f，三維原子探針技術(shù)分析析出相-基體界面（圖d中紅色方框區(qū)域）的元素分布。g，界面附近元素含量的定量表征：硼在界面富集。h-j，密度泛函理論計(jì)算硼在幾類典型Ta/HfO2界面的偏聚能。

該B-ODS鉭合金在室溫具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性，其抗拉強(qiáng)度超過800 MPa，拉伸延伸率可達(dá)35%，具備良好的加工成形能力。更為突出的是，該合金2000℃和2400 ℃下的拉伸屈服強(qiáng)度分別達(dá)到200 MPa和100 MPa，顯著優(yōu)于已報(bào)道的各類傳統(tǒng)難熔合金及新興的難熔多主元合金（圖3）。例如，該新型鉭合金在2000 ℃超高溫下的拉伸屈服強(qiáng)度相較傳統(tǒng)鉭合金提高了一倍；而在承擔(dān)相同100 MPa載荷時(shí)，新合金的承溫上限比現(xiàn)有鉭合金提升了約500 ℃。此外，蠕變測試結(jié)果表明該合金比傳統(tǒng)難熔合金具有更為優(yōu)異的長時(shí)服役潛力。

▲ 圖3 B-ODS 鉭合金在室溫和超高溫下的拉伸性能。a-b，該合金在室溫下具有優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性組合。c-d，2000-2400 ℃超高溫區(qū)間的拉伸性能，該合金拉伸屈服強(qiáng)度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)難熔合金和新興的難熔多主元合金。

需要強(qiáng)調(diào)的是，該B-ODS鉭合金與傳統(tǒng)碳化物強(qiáng)化鉭合金存在顯著區(qū)別：首先，B干預(yù)的原位氧化反應(yīng)能夠在晶粒內(nèi)部形成均勻彌散的氧化物第二相，有效釘扎位錯(cuò)，提升了合金的拉伸強(qiáng)度（圖4a-h）。其次，該新型氧化物顆粒自身可通過多種方式發(fā)生塑性變形，有效協(xié)調(diào)了其與基體之間的應(yīng)變匹配，提升了合金塑性（圖4i-l）。再者，包覆氧化物顆粒的B原子能夠阻礙間隙氧原子擴(kuò)散，抑制氧化物高溫粗化，在超高溫下具有較高熱穩(wěn)定性（圖5）。最后，該第二相在基體中具有較低溶解度，能夠抑制高溫下回溶于基體，在超過2000 ℃下仍能有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，保持合金的高溫強(qiáng)度。上述幾點(diǎn)均彌補(bǔ)了傳統(tǒng)碳化物第二相的不足。

▲圖4 B-ODS鉭合金的室溫力學(xué)變形機(jī)制。a-d，不同拉伸應(yīng)變下的微觀組織形貌。e-h，在5%拉伸應(yīng)變下，位錯(cuò)與納米顆粒的相互作用及位錯(cuò)反應(yīng)。i-l，在35%拉伸應(yīng)變下，斷口附近第二相的塑性變形行為，包括層錯(cuò)、孿晶和馬氏體相變。

▲ 圖5 B-ODS鉭合金的超高溫?zé)岱€(wěn)定性。2000 ℃保溫20 min后拉伸失效后樣品的微觀組織表征。a，斷口附近的晶粒形貌。b，動(dòng)態(tài)回復(fù)過程中形成的低角度亞晶。c-d，納米顆粒與位錯(cuò)的相互作用。e-f，三維原子探針技術(shù)分析表明B原子仍富集在第二相與基體界面。

來源：南京大學(xué)、西安交通大學(xué)