燕山大学，2024年首篇Nature！

晶界(GBs)，具有结构和结构转变的多样性，在多晶材料性能的定制中起着至关重要的作用。{112}非相干孪晶界(ITBs)作为一种独特的GB子集，在纳米孪晶面心立方材料中普遍存在。

虽然多种ITB构型和过渡已被报道，但它们的过渡机制和对力学性能的影响在很大程度上仍未被探索，特别是在共价材料方面。

在此，来自燕山大学的胡文涛&徐波&田永君等研究者报告了金刚石在室温下的六种ITB构型和结构转变的原子观测，显示了一种不同于金属系统的位错介导机制。相关论文以题为“Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond”于2024年01月03日发表在Nature上。

晶界(GBs)，作为多晶材料中的一种平面缺陷，对材料的性能有广泛的影响。例如，在纳米结构金属和超硬材料中，高密度的GBs(包括孪晶界)可以强烈阻碍位错运动，从而显著促进强化和硬化。根据热力学条件和加工历史，GBs可以采用多种构型，具有不同的边界特性，如扩散率、迁移率和内聚强度。

越来越多的证据表明，在热或机械刺激下，不同的GB构型可能发生类相变，导致微观结构演化(例如，异常晶粒生长和稳定的纳米晶合金)和材料性能(例如液态金属脆化)的突然变化。由于大多数功能和工程材料都是多晶固体，因此深入了解GB构型及其转变对于进一步优化材料性能至关重要。为此，关于GB构型和原子尺度上的迁移机制的详细信息是至关重要的。

近十年来，透射电子显微镜在理论模拟的辅助下，对GB构型的表征和跃迁机制的阐明取得了重大进展。这些研究为通过GBs工程和相关过渡开发材料提供了有洞察力的信息。例如，在铜中，在 GBs处发现了两种共存的GB构型，其无扩散的一级结构转变由应力或热激活驱动。在α-Al₂O₃双晶体中观察到GB的原子迁移通过辐射诱导的局部应变驱动的结构转变，显示了GB活动中原子的协同拖曳运动。此外，在金属中观察到原子分辨率的GB迁移和滑动，其中包括位错、断开和堆叠故障(SFs)的不同机制被识别。

然而，这些GBs的原子研究仅限于金属和简单离子氧化物。对于具有方向性和更强化学键的共价材料，如金刚石，尽管进行了许多努力，但GB构型及其对外部机械刺激的响应仍然难以捉摸，这主要是由于样品制备和应用足够高的应力来激活缺陷的困难。然而，对钻石的研究对于寻找材料设计和性能增强的新机会具有范例意义。

在纳米孪晶面心立方材料中，{112}非相干孪晶界(ITBs)作为Σ3{111}相干孪晶界(CTBs)之间的步骤，其长度由相邻CTBs之间的间距决定。当{111}孪晶厚度低于几个纳米的临界值时，由于{112}快速迁移而导致的软化现象已在金属中广泛观察到。然而，在纳米孪晶金刚石(nt-diamond)中没有类似的软化现象，这意味着ITBs在这种强共价材料中的高稳定性。

在此，研究者报告了nt-diamond中不同的{112}ITB构型、应力驱动的ITB转变和构型依赖的ITB迁移在室温下的原子分辨率观察。研究者确定了六种ITB结构，其中不对称的例子具有较低的过剩能量。研究者还观察了电子辐照诱导的原位ITB活性，发现原子尺度上的位错介导了ITB的跃迁和迁移。此外，主要的非对称ITB以剪切耦合的方式缓慢迁移，这是nt-diamond中{112}ITBs在应力下具有高稳定性的原因。

图1. nt-diamond中存在多个{112}ITBs构型

图2. 原子分辨率下ITB跃迁的原位观察

图3. 依赖于构型的ITB迁移

图4. ITB活动的应力驱动机制的证据

综上所述，在金刚石中观察到的室温下的ITB活性与金属或离子材料中的ITB活性明显不同，说明化学键的作用至关重要。此外，研究者对能量耗散特性的分析表明，ITB过渡对nt-diamond增韧的实质性贡献。观察到的位错介导的GB活性也可能发生在其他共价材料中，为高性能共价材料的微观结构工程提供了潜在的指导原则。

文献信息

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

原文链接：

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

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燕山大学，2024年首篇Nature！

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