近日，西北工业大学凝固技术全国重点实验室高纯材料与单晶生长团队取得重大科研突破，成功制备出长度达1米、取向可控的高纯钨单晶，意味着相关技术在高端难熔金属材料领域迈出了重要一步。
研究背景
金属钨是熔点最高的纯金属，高达3422℃，兼具优良的导电性、导热性和机械强度，在高温、高压等极端环境下性能突出，是制造高端扫描电子显微镜场发射电子源的关键材料。然而，高性能钨单晶长期被美国等发达国家垄断，成为制约我国高端科学仪器发展的“卡脖子”难题，实现国产替代刻不容缓。但是，制备高质量钨单晶并非易事。一方面，钨的极高熔点对熔炼设备提出严苛要求；另一方面，晶体取向的精确控制需精准调控温度梯度、真空度及熔体流动等多重参数。此外，钨在高温下易与氧气反应生成氧化物，进一步增加了制备难度。
研究成果
面对挑战，凝固技术全国重点实验室李双明教授带领团队历经二十余年的持续攻关，不断优化凝固工艺，最终实现了高纯钨单晶的稳定制备。团队成功开发出面向场发射电子源特殊需求的〈100〉及〈310〉取向钨单晶，推动该材料从实验室研究迈向实际应用。目前，团队已完成从特种生长设备研制、单晶制备到高精度单晶钨针加工的全流程技术构建，所制备钨单晶纯度高达99.9995%（5N级），单次生长长度突破1米，并已初步供应国产电镜企业及多家科研单位，获得积极反馈。图1展示了团队制备的钨单晶样品及取向表征，图2为钨单晶制备成的场发射电子源。
图1：(a) 米级长度钨单晶；(b) 钨单晶放大图；(c)〈100〉取向；(d)〈310〉取向钨单晶EBSD表征
图2：所制备钨单晶制成的场发射电子源
该技术的突破也为其他难熔金属与合金的高纯单晶制备开辟了新路径。团队通过工艺调整，已成功实现铌（Nb）、钼（Mo）、镍（Ni）等多种金属单晶的可控制备。这些单晶材料在高端靶材、衬底及导热元件等领域具有重要应用前景。图3展示了团队生长的多种金属单晶材料。
图3：生长的几种单晶材料(a) 单晶铌；(b) 单晶镍；(c) 单晶钼
展望未来
未来，团队将继续聚焦高纯单晶材料的生长与性能优化，紧密围绕国家重大战略需求，推动新材料产业高质量发展，努力突破国外技术封锁，为实现关键材料自主可控、服务国家“十五五”科技发展、培育新质生产力贡献力量。
团队介绍
高纯材料与单晶生长团队依托西北工业大学凝固技术全国重点实验室，现有教师三人，硕/博士研究生二十余人。团队负责人李双明教授，博士生导师，长期致力于金属凝固理论、单晶生长以及热电合金材料等方向的理论研究和应用开发工作。入选教育部新世纪人才项目，主持多项国家自然科学基金项目，以第一/通讯作者在Nat Commun, AEM, AFM, Acta Mater, Scripta Mater, MSEA, MMTA等刊物发表论文100余篇。研究方向主要包括高纯和难熔金属单晶生长、新型凝固技术与复杂合金凝固组织控制，热电材料与器件等。
文字 | 李双明，钟宏
编辑 | 冯芳
责编 | 何峰
审核 | 禹亮
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