重过渡族金属元素的d 轨道与轻元素原子p 轨道的杂化行为可增强成键的方向性，综合过渡族金属价态电子高密度导致的抗压缩性能与轻元素原子形成的强共价键，由此而得到的化合物可望构成新一类硬质（硬度大于20 GPa）甚至是超硬（硬度大于40 GPa）材料。这类化合物还兼具强热力学稳定性、强抗氧化性、强化学惰性等特点，可服役于高温、酸碱等极端环境。然而过渡族金属轻元素化合物高硬特性伴随的脆性以及本征的高摩擦系数（大于0.7）成为该类材料应用于机械摩擦领域的主要瓶颈。
高硬下的强韧化设计、自润滑特性的引入以及结构功能一体化的构建成为该系列材料实现应用的关键。围绕上述核心挑战，我们提出明确材料设计的关键“靶位”，通过单晶位上精确的原子置换的思路，破解了过渡族金属轻元素化合物摩擦系数过高的难题，建立了原子占位设计优化润滑特性的新方法；此外，置换原子打破初始电子结构对称性，同步调控化学键态使薄膜强化及硬化，并赋予薄膜表面催化及疏水等功能特性，极大地丰富了硬质润滑薄膜的应用环境。这些硬质固体润滑薄膜的探究工作为应用于机械摩擦的表面工程材料提供了有力的理论依据及详实的数据和工艺支撑。该系列工作相继发表在Acta Mater.， J. Phys. Chem. Lett.， ACS Appl. Mater. Interfaces, Appl. Surf. Sci., 以及Adv. Mater Interfaces（封面论文）等期刊上。
 

过渡族金属轻元素化合物；硬度；韧性；润滑；结构功能一体化