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1、金属所学者发现金属中的“负能界面”，极限纳米金属再获突破性进展

金属材料的强化是材料科学的核心问题。细化晶粒是一种提高材料强度的有效方式，大量晶界阻碍位错运动，强度显著提升。孪晶强化作为另一种重要策略，通过低能共格界面有效阻碍位错运动，已在金属、半导体及陶瓷中得到验证。然而，当这些结构的尺寸降至 10-15 nm时，晶界滑移、迁移等行为主导塑性变形过程，孪晶界在应力或温度作用下易退孪生，导致材料出现“尺寸软化”。突破这一瓶颈，进一步提升金属材料强度接近理论极限，亟需发展新的强化策略。

在中国科学院战略性先导专项和国家自然科学基金杰出青年基金等项目资助下，中国科学院金属研究所李秀艳研究员、卢柯院士与辽宁材料实验室研究团队合作，创新性提出并实现了“纳米负能界面”强化新策略，在镍基合金中成功构筑极高密度稳定界面，显著提升材料刚度，使材料强度逼近理论极限。相关成果以“纳米负能界面强化镍基合金（Strengthening Ni alloys with nanoscale interfaces of negative excess energy）”为题，于2025年11月6日发表于《Science》杂志上。

图 通过在镍基过饱和固溶体合金中构筑极高密度稳定的“负能界面” (A, B)， 有效阻碍位错及界面运动，完全抑制塑性变形，显著提升杨氏模量(C, D)，提升材料强度接近理论极限。

研究团队通过电化学沉积结合非晶晶化方法，在Ni(Mo)过饱和固溶体中构筑了高密度纳米孪晶和层错（图A）。球差校正透射电镜揭示出晶粒内部由面心立方(ABCABC)与密排六方(ABAB)交替堆垛的高密度稳定界面，层片间距最小仅约0.7 nm。密度泛函理论计算结果（图B）显示，ABCABC/ABAB界面为“负能界面”（−8.7至−19.5 mJ/m²），具有本征的热力学稳定性。微柱压缩实验（图C）显示，该材料在加载过程中保持完全弹性响应，屈服强度高达5.08 GPa，远超传统纳米晶与纳米孪晶镍基材料，接近理论强度极限。与此同时，杨氏模量随负能界面密度升高显著提升，最高达254.5 GPa（图D），超过相同成分的非晶态与金属间化合物。负能界面的形成不仅阻碍位错滑移与晶界迁移，还通过界面区域电子密度重排增强了原子键合刚度，实现了强度与刚度的同步提升。从Ashby强度-模量关系图（图E）可见，纳米负能界面Ni(Mo)合金的强度位于E/40–E/50区间，接近理论强度，与陶瓷材料相当。根据密度泛函理论计算，其他镍基二元体系（如Ni-W、Ta、Nb、Mn和V）共格界面也具有负过剩能。纳米“负能界面”强化策略可广泛应用于多种材料体系。此项突破性成果的核心价值在于，它首次揭示了通过构筑极限尺度的稳定“负能界面”，可以有效调控晶体材料的原子键合状态，从而同时实现材料强度和模量的跨越式提升。这不仅是金属强化理论的重大革新，也为未来设计开发接近理论强度极限的新一代超强超稳金属材料提供了全新的科学原理和技术路径。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea4299

2、半导体所研制出光电转换效率超过27%的钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池因其易于低成本印刷制备且具有高光电转换效率的优势，被视为新一代太阳能电池的典型代表，发展前景广阔。经过十余年的快速发展，其光电转换效率已从最初的3.8%提升至超过26%，逼近单晶硅太阳能电池水平，但与理论极限效率仍存在一定差距。实现高效率钙钛矿太阳能电池的关键要素之一是制备高质量钙钛矿半导体薄膜。甲基氯化铵（MACl）因能同时降低钙钛矿成核势垒并促进晶体高质量生长，被广泛作为钙钛矿薄膜生长的辅助材料。

近期，中国科学院半导体研究所游经碧研究员领导的团队发现基于MACl制备的钙钛矿薄膜存在垂直方向上氯分布的不均匀的问题，主要原因是MACl中的氯离子在钙钛矿结晶过程中迅速迁移至上表面引起富集。这种不均匀的氯分布会诱发钙钛矿上表面产生缺陷和界面电子势垒，引起载流子复合损失，阻碍载流子输运，制约了器件光电转换效率的进一步提升，同时影响其长期运行稳定性。

针对传统生长方法导致钙钛矿中氯元素分布不均的问题，团队提出了垂直方向均匀化氯元素分布的策略（HVCD）：通过在钙钛矿薄膜生长中引入碱金属草酸盐，利用解离出的钾离子与氯离子之间的强结合作用，有效束缚氯元素的垂直无序迁移，使其在钙钛矿材料中均匀分布。基于这一方法，研究团队成功制备出载流子寿命高达20微秒，界面缺陷态密度低至1013每立方厘米的钙钛矿半导体薄膜，显著抑制了由卤素Cl元素上表面富集引起的载流子复合（图1），并消除了界面电子势垒。

图1、 (A-B) 氯离子均匀化前后钙钛矿上下表面的光致发光光谱，(C) 氯离子均匀化前后钙钛矿的载流子寿命，(D-E) 均匀化调控前后各离子在垂直方向上的分布情况，(F) 均匀化调控前后钙钛矿薄膜垂直方向上缺陷态密度分布情况，(G) 碱金属草酸盐实现氯离子均匀化分布调控的机理示意图。

基于所开发的氯元素均匀分布的钙钛矿薄膜，团队研制出经多家权威机构认证、光电转换效率为27.2%的钙钛矿太阳能电池原型器件。器件在1个标准太阳光和最大功率输出点条件下持续运行1529小时后，仍保持初始效率的86.3%。此外，器件在1个标准太阳光与85℃光热耦合加速老化条件下，持续运行1000小时后仍能维持初始效率的82.8%（图2）。该研究实现了钙钛矿太阳能电池效率与稳定性方面的协同提升，将为其产业化发展提供重要支撑。

图2、(A) 参考器件和氯均匀化器件在标准太阳光条件下的电流-电压曲线（正反向测量），（B）参考器件和氯均匀化器件稳态输出效率曲线，（C）参考器件和氯均匀化器件1529小时稳态输出效率曲线（40-50℃，1个太阳光），（D）参考器件和氯均匀化器件在85℃条件下老化的归一化效率变化情况，(E) 参考器件和氯均匀化器件在1个标准太阳光和85℃耦合条件稳态输出归一化效率变化情况（用于热稳定性和加速老化测试的器件为非标准工艺制备）。

该研究成果以“Homogenized chlorine distribution for >27% power conversion efficiency in perovskite solar cells”为题，发表于《科学》（Science）期刊（Science, 2025, 390，638-642）。半导体所博士后熊壮为论文第一作者，博士生张谦为共同第一作者，游经碧研究员为通讯作者，半导体所张兴旺研究员、蒋琦研究员以及苏州大学李耀文教授等为论文共同作者。该研究获得了国家重点研发计划、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家自然科学基金委联合基金集成项目以及厦门丰熤光电科技有限公司等的资助。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw8780

来源：中国科学院金属研究所、中国科学院半导体研究所