導(dǎo)讀：眾所周知，金剛石在室溫下不發(fā)生塑性變形，通常發(fā)生脆性斷裂。本文在透射電鏡下對(duì)亞微米級(jí)金剛石柱進(jìn)行了原位力學(xué)測(cè)試，研究了其室溫位錯(cuò)塑性。史無(wú)前例地記錄了由無(wú)約束壓縮引入的位錯(cuò)的時(shí)空特征，包括位錯(cuò)的產(chǎn)生和傳播。層析成像重建的原子分辨觀察結(jié)果明確表明，在<111>和<110>的單軸壓縮下，具有伯格斯矢量1/2<110>的混合型位錯(cuò)在金剛石的非密堆積{001}平面中被激活。方向分別在<100>方向載荷下在{111}平面中被激活時(shí)，指示與方向有關(guān)的位錯(cuò)可塑性。這些結(jié)果為金剛石的力學(xué)行為提供了新的見(jiàn)解，并促使重新考慮金剛石以及其他脆性共價(jià)晶體在低溫下的基本變形機(jī)理。

金剛石是最堅(jiān)硬的晶體材料，具有極高的強(qiáng)度，可調(diào)節(jié)的帶隙和可控的氮空位。這種獨(dú)特材料的這種特性在高壓科學(xué)、以機(jī)械為基礎(chǔ)的工業(yè)、電子和光子學(xué)設(shè)備，甚至生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。然而，金剛石也是最脆弱的材料，由于最強(qiáng)C-C共價(jià)鍵。因此，金剛石在室溫下幾乎沒(méi)有塑性，其脆性的特性在許多應(yīng)用中受到了嚴(yán)重的限制。了解金剛石的力學(xué)行為，特別是室溫下的塑性變形機(jī)制，幾十年來(lái)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。

金剛石的脆性-韌性響應(yīng)是由裂紋尖端的格里菲斯裂隙和塑性剪切之間的競(jìng)爭(zhēng)引起的。要實(shí)現(xiàn)金剛石中的位錯(cuò)滑移，首先必須打破強(qiáng)C-C共價(jià)鍵。在室溫下，C-C共價(jià)鍵的斷裂會(huì)導(dǎo)致在滑移前的解理斷裂。此外，金剛石中存在的位錯(cuò)密度非常低，通常比金屬中存在的位錯(cuò)密度低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在室溫下解理前，金剛石不具有大的塑性變形。然而，材料的應(yīng)力狀態(tài)可能對(duì)其塑性變形行為起重要作用。理論研究表明，高靜水壓力能有效抑制金剛石微裂紋擴(kuò)展，激活位錯(cuò)滑移。觸發(fā)金剛石塑性變形的預(yù)計(jì)靜水壓力高達(dá)數(shù)百千兆帕斯卡，這可以通過(guò)在金剛石砧座中壓痕和壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)上，在努氏壓痕附近觀察到{111}<110>滑移系統(tǒng)的位錯(cuò)。然而，不能排除這些位錯(cuò)在壓痕之前存在于金剛石晶體中的可能性。由于缺乏直接證據(jù)，需要在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，金剛石是否存在室溫塑性已經(jīng)爭(zhēng)論了幾十年。電子顯微鏡的原位力學(xué)測(cè)試技術(shù)的最新發(fā)展已經(jīng)證明了在原位探測(cè)彈性變形和跟蹤微觀結(jié)構(gòu)演變的可行性。

燕山大學(xué)聯(lián)合浙江大學(xué)、美國(guó)芝加哥大學(xué)，利用透射電子顯微鏡(TEM)結(jié)合原子分辨TEM觀察和三維圖像重建，通過(guò)原位納米壓縮實(shí)驗(yàn)對(duì)金剛石的塑性變形進(jìn)行了全面的研究。直接實(shí)時(shí)觀察到金剛石中廣泛的位錯(cuò)活動(dòng)。展示了室溫下金剛石納米顆粒的位錯(cuò)可塑性，并且位錯(cuò)產(chǎn)生和傳播的時(shí)空特征清晰可見(jiàn)。本文直接觀察為金剛石的力學(xué)性能提供了明確的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和新的見(jiàn)解，解決了金剛石在室溫下塑性的長(zhǎng)期爭(zhēng)論。相關(guān)研究結(jié)果以題“Direct Observation of Room-Temperature Dislocation Plasticity in Diamond”發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Matter上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.02.011

盡管金剛石具有極高的強(qiáng)度和硬度，但室溫下其脆性極低。室溫塑性在實(shí)驗(yàn)中很少觀察到，一般認(rèn)為不太可能發(fā)生，因?yàn)榻饎偸械耐蛔兇嘈詳嗔颜贾鲗?dǎo)地位。在此，通過(guò)在透射顯微鏡下原位力學(xué)測(cè)試，展示了室溫下金剛石納米顆粒的位錯(cuò)可塑性，在不同的加載條件下，{001}<110>和{111}<110>位錯(cuò)滑移體系都可以被激活。令人驚訝的是，雖然{111}<110>型更頻繁地在大多數(shù)面心立方(FCC)晶體中觀察到，但{001}<110>型滑移體系比{111}<110>型更容易激活。

圖1壓縮過(guò)程中金剛石納米粒子的演化。(A)壓縮前的金剛石納米顆粒的亮場(chǎng)(BF) TEM圖像；(B和C)原子尺度BF (B)和HAADF-STEM (C)金剛石納米顆粒圖像。(B)的插圖顯示金剛石納米孔的鋸齒狀圖案；插圖(C)顯示放大的原子尺度的鉆石納米粒子HAADF圖像。(D)金剛石柱斷裂的弱束暗場(chǎng)(DF) TEM圖像。(E)在壓縮載荷驅(qū)動(dòng)下，從斷口表面發(fā)射出位錯(cuò)半環(huán)。(F)位錯(cuò)半環(huán)傳播和倍增。(G)激活了多個(gè)平面的位錯(cuò)。(F)的插圖說(shuō)明了半環(huán)的示意圖

圖2伯格斯位錯(cuò)矢量的確定。(A)沿[101]晶帶軸在g=[11]雙光束條件下拍攝的圖像。(B和C)沿[112]晶帶軸在g=[1] (B)和g=[1] (C)兩束條件下拍攝的圖像。（D）原子分辨的HAADF-STEM圖像，顯示原位變形后的位錯(cuò)核心。

圖3金剛石納米顆粒中產(chǎn)生的位錯(cuò)及其滑移面的三維構(gòu)型。（A–D）壓縮金剛石納米柱在26 o（A），47 o（B），107 o（C）和176 o（D）處傾斜的DF-TEM圖像。(E-H)原理圖，顯示位錯(cuò)和他們的滑行平面，在(A)到(D)中描繪的角度觀察。

圖4金剛石在不同加載方向下的位錯(cuò)行為。(A)在<110>方向(A1和A2)載荷作用下，金剛石中的位錯(cuò)被激活。將滑動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)到其側(cè)邊視圖(A3)并確定為(010)平面。(B)金剛石的位錯(cuò)在<100>方向(B1和B2)載荷作用下被激活。將滑動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)到其側(cè)邊視圖(B3)并確定為(111)平面。

圖5確定初始塑性模式的彈性穩(wěn)定性準(zhǔn)則。(A)金剛石晶格沿[111]單向壓縮的理論應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中第一次應(yīng)力降出現(xiàn)在應(yīng)變?yōu)?7%時(shí)。(B)Λ(ω, n)三種擾動(dòng)模式，即(100)[011]滑移系，(11) [011]滑移系，和(11)解理。(C)三種松弛模式對(duì)應(yīng)的彈性模量和解析應(yīng)力。下標(biāo)表示對(duì)應(yīng)的(ω, n)。

圖6 基于密度泛函理論的金剛石分子動(dòng)力學(xué)模擬不同加載條件下。（A）弛豫后在（001）平面中包含具有伯格斯矢量1/2[110]的邊緣錯(cuò)位的菱形晶格模型。位錯(cuò)核心突出顯示。(B)裂紋在純剪切應(yīng)變?yōu)?.7%的情況下開(kāi)始，由位錯(cuò)核邊緣處的C-C鍵斷裂可見(jiàn)。突出顯示缺陷區(qū)域。(C)在靜水壓力為400 GPa [(C1)和(C2)]下，在11.7%的剪切應(yīng)變驅(qū)動(dòng)下，沿位錯(cuò)在[001]平面上由一個(gè)漢堡矢量滑移。紅色和黃色突出了位錯(cuò)核心位置前后在一個(gè)伯格斯矢量，如箭頭所示。(D) (C1)和(C2)中的晶格重疊，顯示位錯(cuò)滑移機(jī)制。位錯(cuò)芯分別以紅色和黃色突出。兩個(gè)箭頭表示C原子的主要位置變化，其特征為鍵旋轉(zhuǎn)過(guò)程

綜上所述，本文直接觀察到了金剛石單晶在無(wú)圍壓變形條件下的室溫塑性，并且得到了所產(chǎn)生的位錯(cuò)的類型、結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的明確信息。金剛石中已識(shí)別的塑性主要是位錯(cuò)在非封閉狀態(tài)下的滑移{100}面分別在<111>和<110>方向的單軸壓縮下。這種滑移系統(tǒng)很少被認(rèn)可或考慮用于室溫下的FCC晶體。此外，在<100>取向的晶格上單軸壓縮產(chǎn)生{111}晶格中的典型位錯(cuò)，表明金剛石中的位錯(cuò)取向行為。該新結(jié)果和當(dāng)前工作中發(fā)展的技術(shù)可以擴(kuò)展到理解其他脆性共價(jià)晶體的變形行為。