北京時(shí)間2024年1月4日，Nature雜志在線發(fā)表了燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高壓科學(xué)中心田永君院士團(tuán)隊(duì)的最新成果。研究人員系統(tǒng)地表征了納米孿晶金剛石中Σ3{112}/<110>非共格孿晶界上共存的多種原子級(jí)構(gòu)型，并原位記錄了室溫條件下由位錯(cuò)介導(dǎo)的界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和依賴于結(jié)構(gòu)的界面遷移行為。

       燕山大學(xué)高壓科學(xué)中心田永君院士、徐波教授和胡文濤研究員為共同通訊作者，仝珂博士后、張祥博士和李子鶴博士為共同第一作者。

       在面心立方結(jié)構(gòu)或金剛石結(jié)構(gòu)的納米孿晶材料中，Σ3{112}/<110>非共格孿晶界(ITB)是一種常見(jiàn)的界面。在金屬中，這種界面在孿晶厚度低于某一臨界值時(shí)會(huì)迅速遷移，誘發(fā)去孿晶化過(guò)程，這也是導(dǎo)致納米孿晶結(jié)構(gòu)金屬材料軟化的關(guān)鍵原因。與金屬材料不同，納米孿晶立方氮化硼和納米孿晶金剛石隨著孿晶進(jìn)一步細(xì)化并沒(méi)有出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，材料的硬度持續(xù)增加。這表明Σ3{112} ITB在共價(jià)材料中具有迥異于金屬體系的高穩(wěn)定性。探明這種高穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)起源，對(duì)于理解納米孿晶金剛石的持續(xù)硬化機(jī)制、發(fā)展高性能納米孿晶結(jié)構(gòu)材料具有重要意義。
       為此，研究人員使用球差校正掃描透射電子顯微鏡系統(tǒng)地表征了納米孿晶金剛石Σ3{112} ITB原子分辨的界面結(jié)構(gòu)，并借助電子輻照荷電效應(yīng)所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，研究了界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和遷移過(guò)程及機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，由于共價(jià)鍵的方向性和飽和性，以及sp2和sp3兩種雜化態(tài)的存在，納米孿晶金剛石中的Σ3{112} ITB呈現(xiàn)多種構(gòu)型（兩類—鏡面對(duì)稱和非鏡面對(duì)稱，各三種），并表現(xiàn)出構(gòu)型相關(guān)的不同遷移方式：鏡面對(duì)稱構(gòu)型可以進(jìn)行長(zhǎng)距離快速遷移，其結(jié)構(gòu)與行為特性與金屬材料中觀察結(jié)果類似；而非鏡面對(duì)稱構(gòu)型則以剪切耦合模式進(jìn)行短距離遷移。在應(yīng)力作用下，不同構(gòu)型的ITB可以通過(guò)位錯(cuò)介導(dǎo)機(jī)制相互轉(zhuǎn)變，進(jìn)而影響界面的遷移模式；但非對(duì)稱構(gòu)型與對(duì)稱構(gòu)型之間的轉(zhuǎn)變涉及到界面兩側(cè)剛體位移變化，受共格孿晶界的約束而具有較高的轉(zhuǎn)變勢(shì)壘。因此，納米孿晶金剛石中Σ3{112} ITB主要以低能量、低遷移率的非對(duì)稱構(gòu)型存在，即便在孿晶厚度低至約1 nm時(shí)依然如此，從而導(dǎo)致了納米孿晶金剛石的持續(xù)硬化行為。

圖1. 納米孿晶金剛石中Σ3{112}/<110>非共格孿晶界的原子級(jí)構(gòu)型。a，典型的納米孿晶金剛石晶粒，包含大量的{111}共格孿晶界（CTB）和{112}ITB；b，納米孿晶金剛石中的典型{112}ITB；c-h，室溫條件下共存的六種{112} ITB原子級(jí)構(gòu)型；i，結(jié)構(gòu)搜索表明識(shí)別出的六種構(gòu)型具有較低的界面能。

圖2. 位錯(cuò)介導(dǎo)的界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。a-f，界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的兩個(gè)典型實(shí)例；g，界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的類型及機(jī)制。

       研究人員結(jié)合旋進(jìn)電子衍射和分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，進(jìn)一步確認(rèn)了界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變所需的激活應(yīng)力接近于金剛石中全位錯(cuò)啟動(dòng)所需的臨界剪切應(yīng)力，從而揭示了納米孿晶金剛石中Σ3{112} ITB高穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)起源。這項(xiàng)工作進(jìn)一步闡釋了納米孿晶金剛石的持續(xù)硬化機(jī)理，也為研究其韌化和室溫塑性提供了新思路。此外，它進(jìn)一步豐富了人們對(duì)材料界面及其行為的認(rèn)識(shí)，不僅提供了共價(jià)材料中界面室溫結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和遷移的直接信息，還為新型納米孿晶材料設(shè)計(jì)及強(qiáng)韌化策略實(shí)施奠定了理論基礎(chǔ)。
該項(xiàng)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、河北省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06908-6