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晶界(GBs)，具有結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的多樣性，在多晶材料性能的定制中起著至關(guān)重要的作用。{112}非相干孿晶界(ITBs)作為一種獨特的GB子集，在納米孿晶面心立方材料中普遍存在。

雖然多種ITB構(gòu)型和過渡已被報道，但它們的過渡機制和對力學(xué)性能的影響在很大程度上仍未被探索，特別是在共價材料方面。

在此，來自燕山大學(xué)的胡文濤&徐波&田永君等研究者報告了金剛石在室溫下的六種ITB構(gòu)型和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的原子觀測，顯示了一種不同于金屬系統(tǒng)的位錯介導(dǎo)機制。相關(guān)論文以題為“Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond”于2024年01月03日發(fā)表在Nature上。

晶界(GBs)，作為多晶材料中的一種平面缺陷，對材料的性能有廣泛的影響。例如，在納米結(jié)構(gòu)金屬和超硬材料中，高密度的GBs(包括孿晶界)可以強烈阻礙位錯運動，從而顯著促進強化和硬化。根據(jù)熱力學(xué)條件和加工歷史，GBs可以采用多種構(gòu)型，具有不同的邊界特性，如擴散率、遷移率和內(nèi)聚強度。

越來越多的證據(jù)表明，在熱或機械刺激下，不同的GB構(gòu)型可能發(fā)生類相變，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)演化(例如，異常晶粒生長和穩(wěn)定的納米晶合金)和材料性能(例如液態(tài)金屬脆化)的突然變化。由于大多數(shù)功能和工程材料都是多晶固體，因此深入了解GB構(gòu)型及其轉(zhuǎn)變對于進一步優(yōu)化材料性能至關(guān)重要。為此，關(guān)于GB構(gòu)型和原子尺度上的遷移機制的詳細(xì)信息是至關(guān)重要的。

近十年來，透射電子顯微鏡在理論模擬的輔助下，對GB構(gòu)型的表征和躍遷機制的闡明取得了重大進展。這些研究為通過GBs工程和相關(guān)過渡開發(fā)材料提供了有洞察力的信息。例如，在銅中，在 GBs處發(fā)現(xiàn)了兩種共存的GB構(gòu)型，其無擴散的一級結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變由應(yīng)力或熱激活驅(qū)動。在α-Al₂O₃雙晶體中觀察到GB的原子遷移通過輻射誘導(dǎo)的局部應(yīng)變驅(qū)動的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，顯示了GB活動中原子的協(xié)同拖曳運動。此外，在金屬中觀察到原子分辨率的GB遷移和滑動，其中包括位錯、斷開和堆疊故障(SFs)的不同機制被識別。

然而，這些GBs的原子研究僅限于金屬和簡單離子氧化物。對于具有方向性和更強化學(xué)鍵的共價材料，如金剛石，盡管進行了許多努力，但GB構(gòu)型及其對外部機械刺激的響應(yīng)仍然難以捉摸，這主要是由于樣品制備和應(yīng)用足夠高的應(yīng)力來激活缺陷的困難。然而，對鉆石的研究對于尋找材料設(shè)計和性能增強的新機會具有范例意義。

在納米孿晶面心立方材料中，{112}非相干孿晶界(ITBs)作為Σ3{111}相干孿晶界(CTBs)之間的步驟，其長度由相鄰CTBs之間的間距決定。當(dāng){111}孿晶厚度低于幾個納米的臨界值時，由于{112}快速遷移而導(dǎo)致的軟化現(xiàn)象已在金屬中廣泛觀察到。然而，在納米孿晶金剛石(nt-diamond)中沒有類似的軟化現(xiàn)象，這意味著ITBs在這種強共價材料中的高穩(wěn)定性。

在此，研究者報告了nt-diamond中不同的{112}ITB構(gòu)型、應(yīng)力驅(qū)動的ITB轉(zhuǎn)變和構(gòu)型依賴的ITB遷移在室溫下的原子分辨率觀察。研究者確定了六種ITB結(jié)構(gòu)，其中不對稱的例子具有較低的過剩能量。研究者還觀察了電子輻照誘導(dǎo)的原位ITB活性，發(fā)現(xiàn)原子尺度上的位錯介導(dǎo)了ITB的躍遷和遷移。此外，主要的非對稱ITB以剪切耦合的方式緩慢遷移，這是nt-diamond中{112}ITBs在應(yīng)力下具有高穩(wěn)定性的原因。

圖1. nt-diamond中存在多個{112}ITBs構(gòu)型

圖2. 原子分辨率下ITB躍遷的原位觀察

圖3. 依賴于構(gòu)型的ITB遷移

圖4. ITB活動的應(yīng)力驅(qū)動機制的證據(jù)

綜上所述，在金剛石中觀察到的室溫下的ITB活性與金屬或離子材料中的ITB活性明顯不同，說明化學(xué)鍵的作用至關(guān)重要。此外，研究者對能量耗散特性的分析表明，ITB過渡對nt-diamond增韌的實質(zhì)性貢獻(xiàn)。觀察到的位錯介導(dǎo)的GB活性也可能發(fā)生在其他共價材料中，為高性能共價材料的微觀結(jié)構(gòu)工程提供了潛在的指導(dǎo)原則。

文獻(xiàn)信息

Tong, K., Zhang, X., Li, Z.?et al.?Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond.?Nature?(2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06908-6

原文鏈接：

http://www.nature.j.yyttgd.top/articles/s41586-023-06908-6

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