《Nature Materials》重磅:刷新认识!直接观察到晶界原子迁移

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材料科学与工程    2021-01-14    176

  编辑推荐:晶界是多晶材料中非常重要的微观结构,但是晶界是如何迁移的还不明确。本文通过独特的实验设计实现了对晶界原子迁移过程的直接观察。研究发现的晶界结构转变将刷新人们对晶界性质的基本认识。

  晶界迁移在改变多晶材料的微观结构和相关性能方面起着重要作用,它是由原子从一个晶界迁移到另一个晶界的原子机制所决定的。尽管这种原子机制已有众多深入的研究,但在实验上仍不清楚晶界迁移是如何在原子尺度上进行的。

  近日,来自日本东京大学等单位研究者,利用高能电子束辐照原子分辨率扫描透射电子显微镜,可控地触发了晶界在α-Al2O3中的迁移,并将原子迁移过程直观地呈现为定格影片。如需观看此视频请关注抖音账号:材料科学网。相关论文以题为“Direct imaging of atomistic grain boundary migration”发表在Nature Materials上。

  论文链接:https://www。nature。com/articles/s41563-020-00879-z

图片.png  陶瓷和金属,主要以多晶形式来使用,多晶是由大量单晶组成的,称为晶粒,它们之间的界面称为晶界(GBs)。这些材料的宏观性能,如机械强度、抗辐射损伤性能、热电阻率和电阻率等,主要由微观组织决定,即晶粒尺寸和晶界密度。为了控制微观结构的演变,通常使用外部刺激,如热、应力或辐照,来激发系统到能量增加的状态。从这个状态上来看,材料经过退火,发生晶界迁移,使其显微组织改变为具有预期性能的结构。一般来说,大部分固态组织转变,如晶粒长大、再结晶和相变,最终由晶界迁移控制。在原子尺度上,晶界迁移是由原子机制决定的。这就是原子从一个晶粒转移到另一个晶粒的方式,这与原子晶界结构的重排高度相关。

  虽然许多研究,都致力于分析原子态晶界的迁移机制,但大多数研究都是基于理论方法。原子分辨率电子显微镜的最新发展提供了一个契机,可直接可视化原子晶界迁移。然而,在实验中,追踪单个原子或列的运动,以及在迁移过程中相关的晶界结构演变仍然具有挑战性。虽然扫描透射电子显微镜(STEM)有很强的能力,能够直接成像晶界的静态原子结构,但较差的时间分辨率限制了对晶界迁移的动态观察。同时,高分辨率透射电子显微镜(TEM)的时间分辨率,至少要提高一到两个数量级(10-100 ms),复杂晶界的结构细节以及它们在迁移过程中的演变,仍然非常难以在原子水平上完全确定。

  此外,在以前的高分辨率TEM观测中,电子束直接均匀地照射在晶粒和晶界上。在这样的条件下,由于晶界结构变化是由光束照射晶界直接引起的,很难研究晶界的内在迁移机制。因此,需要一种新的策略,在不需要任何光束照射情况下,来观察原子迁移。

  在此,研究者通过控制晶界迁移的进程,可以用一系列静态STEM图像构造一个定格电影来直接成像这样的动态过程。如需观看此视频请关注抖音账号:材料科学网。研究者首先证明了,通过控制电子束在α-Al2O3中的迁移可以触发晶界在α-Al2O3中的迁移,并且迁移过程是完全可控的。因此,研究者通过重复的“触发-探针”方法对晶界迁移的原子过程进行了成像:只有几个原子列的晶界迁移首先被触发,然后,研究者使用高角度环形暗场(HAADF)-STEM成像,探索了晶界原子结构的合成。重复这样的“触发探针”方法,使研究者能够跟踪单个原子列的运动和晶界结构的演变。结果表明,氮原子的迁移是由氮原子沿特定路径在氮原子壁架上协同移动,在低能量下通过几个不同的稳定和亚稳定氮原子结构进行的。

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  图1 控制晶界在STEM中迁移的实验设置。如需观看此视频请关注抖音账号:材料科学网。

图片.png  图2 晶界迁移的逐步映像。如需观看此视频请关注抖音账号:材料科学网。

图片.png  图3 晶界运动的原子过程逐列成像。如需观看此视频请关注抖音账号:材料科学网。

图片.png  图4 晶界迁移的原子几何和结构变化的二色模式。如需观看此视频请关注抖音账号:材料科学网。

  综上所述,研究者独特的实验设计实现了对晶界原子迁移过程的直接观察。研究者证明了原子在晶界边缘的协同混排,是晶界迁移的过程,这导致了意想不到的晶界结构转变。这种结构转变,也可能广泛地发生在其他的晶界动力学中,如高温晶界的滑动、晶界的扩散和晶界的分离,这将刷新人们对晶界性质的基本认识。此外,该实验方法可能适用于进一步研究材料科学中涉及晶界动力学的基本问题,如晶粒异常生长的原子机制和抗辐射提升的晶界等。(文:水生)

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