我國商朝時期（公元前16世紀(jì)——11世紀(jì)），釉陶和初具瓷器性質(zhì)的硬釉陶便已出現(xiàn)。至魏晉時期（公元220—420年）我國就已完成了用高火度燒成胎質(zhì)堅實的瓷器這一重大發(fā)明。 然而近代我們才對陶瓷有了更深的認(rèn)識。陶瓷和金屬主要以多晶形式使用，多晶是由大量單晶組成的，稱為晶粒，它們之間的界面稱為晶界(grain boundary, GBs)。這些材料的宏觀性能，如機(jī)械強(qiáng)度、抗輻射損傷性能、熱電阻率和電阻率等，主要由微觀組織決定，即晶粒尺寸和GB密度。為了控制微觀結(jié)構(gòu)的演變，通常使用外部刺激，如熱、應(yīng)力或輻照，來激發(fā)系統(tǒng)到能量增加的狀態(tài)。在這個狀態(tài)下，材料退火，發(fā)生GB遷移來修改微觀組織，以達(dá)到期望的性能配置。 一般來說，大部分固態(tài)組織轉(zhuǎn)變，如晶粒長大、再結(jié)晶和相變，最終由GB遷移控制。在原子尺度上，GB遷移是由原子機(jī)制決定的。這就是原子從一個顆粒轉(zhuǎn)移到另一個顆粒的方式，這與原子GB結(jié)構(gòu)的重排高度相關(guān)。 雖然許多研究都致力于分析GB原子遷移機(jī)制，但大多數(shù)研究都是基于理論方法。原子分辨率電子顯微鏡的最新發(fā)展提供了一個機(jī)會，直接可視化原子GB遷移。然而，在實驗中，追蹤單個原子或列的運動，以及在遷移過程中相關(guān)的GB結(jié)構(gòu)演變?nèi)匀痪哂刑魬?zhàn)性。雖然掃描透射電子顯微鏡(STEM)具有較強(qiáng)的直接成像GB靜態(tài)原子結(jié)構(gòu)的能力，較差的時間分辨率限制了GB遷移的動態(tài)觀測。與此同時,高分辨率透射電子顯微鏡(TEM)有一個或兩個數(shù)量級的更好的時間分辨率(10 – 100 ms)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜的GBs的細(xì)節(jié)和他們在遷移期間的演變?nèi)噪y以完全確定在原子層面上。此外，在以前的高分辨率TEM下，電子束直接均勻地照射在晶粒和GBs上。在這樣的條件下，由于GB的結(jié)構(gòu)變化是由光束照射GB直接引起的，很難研究GB的內(nèi)在遷移機(jī)制。 因此，需要一種新的策略來觀察原子遷移，而不需要任何光束照射。 東京大學(xué)Yuichi Ikuhara和Bin Feng（均為通訊作者）在Nature Materials上發(fā)表文章，Direct imaging of atomistic grain boundary migration，在這里，作者驅(qū)動平面GB粒子遷移的策略是只對GB附近的一個顆粒進(jìn)行電子束輻照（圖1） ，通過控制GB遷移的進(jìn)程，可以用一系列靜態(tài)STEM圖像構(gòu)造一個定格電影來直接成像這樣的動態(tài)過程。 作者首先證明了通過控制電子束可以觸發(fā)GB在α-Al2 O3 中的遷移，并且遷移過程是完全可控的。因此，通過重復(fù)的“觸發(fā)-探測”方法對GB原子遷移的過程進(jìn)行成像：首先觸發(fā)只有幾個原子列的GB遷移，然后使用高角度環(huán)形暗場(HAADF)-STEM成像，以幀的形式探測，由此給出GB原子結(jié)構(gòu)的演變過程。重復(fù)這樣的“觸發(fā)-探測”方法來能夠跟蹤單個原子列的運動和GB結(jié)構(gòu)的演變。
圖1. STEM下的晶界遷移實驗，電子束被控制照射到靠近GB的兩個顆粒中的一個，例如，黃色虛線框內(nèi)。
圖4. GB遷移的原子幾何和結(jié)構(gòu)變化的二色模式 Wei, J., Feng, B., Ishikawa, R. et al. Direct imaging of atomistic grain boundary migration. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00879-z https://www.nature.com/articles/s41563-020-00879-z#Sec7
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