Nature重磅！任性了不是？位错还能“走走停停”！

尽管失配位错无处不在，但由于其埋藏性，直接探究失配位错的动态作用是无法实现的。

在此，来自美国纽约州立大学宾汉顿分校的Guangwen Zhou等研究者以铜氧化物到铜的界面转变为例，证明了失配位错以一种间歇性的方式调节氧化物到金属的界面转变，通过这种方法，界面台阶的横向流动被固定在失配位错的核心位置，直到错位爬到新的氧化物/金属界面位置。相关论文以题为“Dislocation-induced stop-and-go kinetics of interfacial transformations”于2022年07月27日发表在Nature上。

对失配位错及其与相变的动态耦合的基本认识，一直是一个长期的研究课题。透射电子显微镜(TEM)，在阐明静态位错的位置和构型方面，显示了它的通用性和原子尺度的精度。人们已经普遍在用透射电镜观察变形过程中位错的运动。然而，直接探究相变过程中失配位错的动态作用具有挑战性，因为它不仅需要原子捕获界面的快速演化，而且需要应用刺激来驱动界面转换。

在这里，研究者报告了在界面转换过程中失配位错的动态作用的直接可视化。这是通过原位环境TEM在样品区流动氢气(H₂)气体来激活铜氧化物(Cu₂O)/铜(Cu)界面反应，同时通过高分辨率TEM (HRTEM)成像来分辨Cu₂O→Cu的界面转变。研究者的原位TEM实验，包括通过在氧气(O₂)中氧化Cu形成Cu₂O/Cu界面，然后切换到H₂，这导致Cu₂O在Cu₂O/Cu界面还原为Cu。

图1a显示了在分压氧气(p_O2) = 0.67 Pa，温度T = 623 K下形成的Cu₂O(110)/Cu(110)界面的典型HRTEM图像。图1a中，Cu₂O/Cu界面位置由绿色虚线标出，并识别出4个失配位错，显示了7×6和8×7重合点阵(CSL)构型，其中Cu₂O中的6(或7)个Cu间距与Cu衬底中的7(或8)个Cu间距相匹配。Cu和Cu₂O之间较大的天然晶格失配(约14.5%)，在能量上不利于共格界面的形成，从而导致一系列位错释放失配应变。

HRTEM图像的几何相位分析(GPA)证实了这一点，该图像显示了位错核心周围集中的应变(图1b)。从后来的原位TEM观测结果可以看出，8×7(和6×5)段在Cu₂O→Cu界面转变过程中瞬间出现，并转变为更稳定的7×6 CSL。

研究表明，结合原子计算，研究者确定钉扎效应与金属原子填补位错核心空位的非局域输运有关。这些结果，为固体-固体界面转变提供了机理上的见解，并对利用埋藏界面上的结构缺陷来调节质量传输和转化动力学具有重大意义。

图1. Cu₂O/Cu界面失配位错的形成

图2. 在623 K和5.3 Pa H₂气体下Cu₂O→Cu界面转变的停-走边缘流的原位TEM可视化

如图2b, c中蓝色和红色箭头所示，Cu₂O→Cu的转变是通过原子台阶沿Cu₂O/Cu界面的横向流动发生的。外延Cu₂O/Cu界面通过台阶-流动转变保持不变。然而，在原位TEM观测中，Cu₂O→Cu转变呈现出明显的“走走停停( stop-and-go)”的特征，这使得Cu₂O/Cu界面台阶的横向传播有规律地中断，并出现2~6 s的短停顿，如图2e所示，图2b,c中台阶1和2横向传播的距离-时间图(图2e)。同时，从图2d中氧化物表面的时间演变可以看出，Cu₂O表面发生了轻微的衰变。

图3. 623 K和5.3 Pa H₂气体流动时Cu₂O→Cu界面转变过程中失配位错调控的间歇边缘流原位原子尺度观察

图4. Cu₂O→Cu界面相变的DFT模拟

综上所述，鉴于在固体-固体转化过程中无处不在的台阶机制，失配位错在调节固体反应动力学中的重要作用，可能直接适用于结垢反应(即氧化、氮化、硫化和硅化)，沉淀反应、固相置换反应和互扩散形成层，其中控制界面转变的基本过程原型表现出相似性，包括界面台阶、失配位错和空位辅助扩散。

Guangwen Zhou，教授，美国纽约州立大学宾汉顿分校材料研究所副所长和材料科学与工程副主任。Guangwen Zhou的研究重点是表面和界面现象的原子机制；材料在氧化和腐蚀等恶劣环境中的稳定性；非平衡条件下材料的合成与加工能源储存/转换、多相催化和电子器件用材料；材料表征使用动态原位电子和扫描探针显微镜，衍射和光谱。Zhou教授发表了150多篇期刊论文，包括Nature Materials、Nature Communications、PNAS和Physical Review Letters等。Zhou教授是美国国家科学基金会(NSF)职业生涯奖(2011)和卓越奖学金和创造性活动校长奖(2016)的获奖者。2003年获美国匹兹堡大学博士学位；北京工业大学硕士学位，湘潭大学学士学位。在2007年加入纽约州立大学宾厄姆顿分校之前，他曾在阿贡国家实验室和匹兹堡大学担任研究职位。截至目前，Guangwen Zhou教授的文章总引用次数为7644，h指数为46。

Sun, X., Wu, D., Zou, L. et al. Dislocation-induced stop-and-go kinetics of interfacial transformations. Nature 607, 708–713 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04880-1

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04880-1

https://www.binghamton.edu/mechanical-engineering/people/profile.html?id=gzhou

http://ws.binghamton.edu/me/Zhou/index.html