南京大學化學學院Nature！西安交通大學Nature！

1、《自然》發文！南京大學徐偉高教授團隊解鎖光學制冷新路徑

近日，南京大學化學學院徐偉高教授團隊與清華大學熊啟華教授、高華健教授等團隊展開合作，從調控二維半導體異質結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移的新型光學制冷（ICT-driven optical cooling）的新機制，并成功進行了實驗驗證。相關成果以“Optical cooling by interfacial charge transfer in 2D heterostructures”為題于2026年6月24日在線發表于《自然》。

研究背景

固體激光制冷技術為量子材料與微納電子系統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制主要由聲子輔助的上轉換熒光主導。然而，該機制對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。這些嚴苛條件此前只在極少數半導體材料中得以實現，如硫化鎘納米帶和部分鹵素鈣鈦礦晶體。而二維半導體的外量子效率通常不到10%，盡管實驗中觀察到聲子輔助的熒光上轉換現象，但尚未有激光制冷的實驗嘗試。

研究突破

為了突破這一瓶頸，研究團隊另辟蹊徑，探索了界面電荷轉移作為非輻射熱提取路徑的可行性。研究團隊首先提出了界面電荷轉移驅動激光制冷的實驗設想（圖1）。在Ⅱ型能帶結構的二維半導體異質結中，通過調控異質結界面耦合狀態，在保持高電荷轉移效率的同時，引入動量失配條件，在電子給體組分中實現晶格聲子能量提取（表現為表觀電荷轉移勢壘）；同時，系統利用界面處的巨大熱阻有效阻斷熱量的回流，實現單向熱流。

圖1 界面電荷轉移驅動光學制冷策略及WSe2/MoSe2異質結中WSe2組分的反常聲子布居

在典型Ⅱ型能帶結構二維異質結體系如WSe2/MoSe2中，團隊通過干法定點轉移技術精準調控層間距與扭轉角，成功構建了處于“居間耦合（intermediate coupling）”狀態的異質結。與強耦合和弱耦合異質結樣品不同，處于居間耦合狀態的WSe2組分在光激發下，表現出反斯托克斯/斯托克斯拉曼強度比（IaS/IS）顯著下降和熒光譜峰藍移等低溫光譜特征。這些實驗特征共同指向WSe2組分在異質結中相對于環境溫度的凈制冷。

為了獲取局域晶格溫度，團隊進行了系統的拉曼光譜測溫校正、異質結組分溫度測量和環境依賴的制冷行為研究（圖2），確認了異質結層間亞納米尺度上的極高溫度梯度。結合分子動力學模擬分析，團隊探討了界面熱阻隨層間距的指數級依賴變化趨勢，為理解微觀耦合態差異如何協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境依賴的制冷行為

研究成果

在微觀動力學機制方面，跨界面電荷轉移是否真實涉及聲子參與是驗證該假說的核心（圖3）。研究團隊利用泵浦-探測瞬態吸收光譜技術，對WSe2/WS2體系的超快層間電荷轉移與載流子復合動力學進行了溫度依賴性追蹤。實驗清晰地觀測到，隨著溫度從298 K降至10 K，電荷轉移時間由約56 fs增加至114 fs。這一溫度依賴的動力學行為表明界面電荷轉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，極高的電荷轉移效率有效抑制了層內熱載流子的非輻射弛豫發熱。

圖3 不同層間耦合異質結中聲子介導的電荷分離和復合超快動力學

與傳統基于熒光上轉換的激光制冷機制不同，界面電荷轉移驅動的光學制冷展現出了較高的激發條件自由度和材料寬容度（圖4）。雙光束擾動實驗和功率依賴測試表明，該機制不僅擺脫了對精確調諧共振激發的依賴，在較寬的波長與功率范圍內均能維持制冷效果，且有效繞過了傳統機制對高外量子效率（PLQY）的嚴苛要求。即便是在PLQY僅為0.1%左右的化學氣相沉積（CVD）生長的WSe2樣品中，拉曼光譜仍然呈現了低溫特征。

圖4 界面電荷轉移驅動光學制冷的激發條件和材料容忍度

該研究在二維半導體體系中成功驗證了界面電荷轉移驅動的光學制冷作為上轉換熒光制冷替代方案的科學可行性，將熱能提取途徑拓展至非輻射通道，為開發微納光電與量子器件的無制冷劑熱管理系統提供了新的切入點。

論文信息

南京大學博士生林佳敏、清華大學博士生項白絮、劉人廣、南京大學博士生凌巾洋為論文共同第一作者，南京大學徐偉高教授、清華大學熊啟華教授、高華健教授為論文共同通訊作者，南方科技大學林君浩、東南大學章琦、廈門大學王行之、南京大學王偉、萬昌錦團隊分別在截面球差校正電子顯微鏡表征、熒光量子效率測試、數據分析與機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化學學院、生命分析化學全國重點實驗室和介觀化學教育部重點實驗室。工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、新基石科學基金等項目的經費資助。

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

2、西安交通大學，《Nature》發文！

西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室研制出2000至2400 ℃超高溫區承載的塑性合金，該研究成果在線發表于《自然》（Nature），為新一代超高溫合金的開發提供了新思路。

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

□ 作者信息：西安交通大學材料學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。西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗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

航空航天領域的發展對金屬結構材料在超高溫環境的承載能力提出了嚴苛要求，一些關鍵耐熱部件的工作溫度甚至超過2000 ℃，遠高于包括鎳基高溫合金在內的多數金屬材料的熔點。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（~3000 ℃）和綜合性能是屈指可數的備選材料。但是，已有鉭合金高溫強度不足，難以滿足極端環境承載要求，如NASA早期開發的商用T-222合金，在1926 ℃下的拉伸強度已不足100 MPa。其根源在于金屬材料普遍面臨著高溫軟化行為，當服役溫度達到材料0.5~0.6 Tm（Tm為絕對溫度熔點），擴散加劇使得材料內部的微觀組織發生顯著演化，室溫下行之有效的強化機制大大衰減。以上述碳化物強化的T-222鉭合金為例，強化相在熱-力耦合驅動下易發生粗化；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位錯的釘扎作用，導致高溫強度下降。此外，合金不僅僅需要具備較高的超高溫強度，還需在近室溫下具有良好塑性，以滿足復雜形狀構件的加工需求。如何實現超高溫強度與室溫塑性二者“魚和熊掌兼得”，是當今高溫合金面臨的巨大挑戰。

針對這一難題，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室研究團隊基于一種特殊的硼干預的原位氧化反應（圖1），有效調控了第二相的尺寸和分布，設計并制備出一種新型的氧化物彌散強化鉭合金（B-ODS鉭合金），兼具有優異的室溫拉伸塑性、超高溫拉伸強度和熱穩定性。該合金以體心立方結構的Ta-12W-1Re（質量分數）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生選擇性氧化反應，形成生成焓非常負的HfO2，并釋放出B原子。B在鉭基體中的擴散速率很高，快速擴散到晶界并占據間隙位置，有效阻礙了氧化物顆粒在晶界處形核，促進了其在晶粒內的均勻析出。同時，隨著氧化產物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 硼干預的原位氧化反應示意圖，在鉭合金晶粒內引入了高密度、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，顯示局部應變分布。d，不同元素的空間分布，表明Hf、O在納米顆粒內富集。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，三維原子探針技術分析析出相-基體界面（圖d中紅色方框區域）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異的強塑性，其抗拉強度超過800 MPa，拉伸延伸率可達35%，具備良好的加工成形能力。更為突出的是，該合金2000℃和2400 ℃下的拉伸屈服強度分別達到200 MPa和100 MPa，顯著優于已報道的各類傳統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度相較傳統鉭合金提高了一倍；而在承擔相同100 MPa載荷時，新合金的承溫上限比現有鉭合金提升了約500 ℃。此外，蠕變測試結果表明該合金比傳統難熔合金具有更為優異的長時服役潛力。

▲ 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異的強度和塑性組合。c-d，2000-2400 ℃超高溫區間的拉伸性能，該合金拉伸屈服強度明顯優于傳統難熔合金和新興的難熔多主元合金。

需要強調的是，該B-ODS鉭合金與傳統碳化物強化鉭合金存在顯著區別：首先，B干預的原位氧化反應能夠在晶粒內部形成均勻彌散的氧化物第二相，有效釘扎位錯，提升了合金的拉伸強度（圖4a-h）。其次，該新型氧化物顆粒自身可通過多種方式發生塑性變形，有效協調了其與基體之間的應變匹配，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散，抑制氧化物高溫粗化，在超高溫下具有較高熱穩定性（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運動，保持合金的高溫強度。上述幾點均彌補了傳統碳化物第二相的不足。

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

▲ 圖5 B-ODS鉭合金的超高溫熱穩定性。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，動態回復過程中形成的低角度亞晶。c-d，納米顆粒與位錯的相互作用。e-f，三維原子探針技術分析表明B原子仍富集在第二相與基體界面。

來源：南京大學、西安交通大學