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晶界(GBs)，具有結構和結構轉變的多樣性，在多晶材料性能的定制中起著至關重要的作用。{112}非相干孿晶界(ITBs)作為一種獨特的GB子集，在納米孿晶面心立方材料中普遍存在。

雖然多種ITB構型和過渡已被報道，但它們的過渡機制和對力學性能的影響在很大程度上仍未被探索，特別是在共價材料方面。

在此，來自燕山大學的胡文濤&徐波&田永君等研究者報告了金剛石在室溫下的六種ITB構型和結構轉變的原子觀測，顯示了一種不同于金屬系統的位錯介導機制。相關論文以題為“Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond”于2024年01月03日發表在Nature上。

晶界(GBs)，作為多晶材料中的一種平面缺陷，對材料的性能有廣泛的影響。例如，在納米結構金屬和超硬材料中，高密度的GBs(包括孿晶界)可以強烈阻礙位錯運動，從而顯著促進強化和硬化。根據熱力學條件和加工歷史，GBs可以采用多種構型，具有不同的邊界特性，如擴散率、遷移率和內聚強度。

越來越多的證據表明，在熱或機械刺激下，不同的GB構型可能發生類相變，導致微觀結構演化(例如，異常晶粒生長和穩定的納米晶合金)和材料性能(例如液態金屬脆化)的突然變化。由于大多數功能和工程材料都是多晶固體，因此深入了解GB構型及其轉變對于進一步優化材料性能至關重要。為此，關于GB構型和原子尺度上的遷移機制的詳細信息是至關重要的。

近十年來，透射電子顯微鏡在理論模擬的輔助下，對GB構型的表征和躍遷機制的闡明取得了重大進展。這些研究為通過GBs工程和相關過渡開發材料提供了有洞察力的信息。例如，在銅中，在 GBs處發現了兩種共存的GB構型，其無擴散的一級結構轉變由應力或熱激活驅動。在α-Al₂O₃雙晶體中觀察到GB的原子遷移通過輻射誘導的局部應變驅動的結構轉變，顯示了GB活動中原子的協同拖曳運動。此外，在金屬中觀察到原子分辨率的GB遷移和滑動，其中包括位錯、斷開和堆疊故障(SFs)的不同機制被識別。

然而，這些GBs的原子研究僅限于金屬和簡單離子氧化物。對于具有方向性和更強化學鍵的共價材料，如金剛石，盡管進行了許多努力，但GB構型及其對外部機械刺激的響應仍然難以捉摸，這主要是由于樣品制備和應用足夠高的應力來激活缺陷的困難。然而，對鉆石的研究對于尋找材料設計和性能增強的新機會具有范例意義。

在納米孿晶面心立方材料中，{112}非相干孿晶界(ITBs)作為Σ3{111}相干孿晶界(CTBs)之間的步驟，其長度由相鄰CTBs之間的間距決定。當{111}孿晶厚度低于幾個納米的臨界值時，由于{112}快速遷移而導致的軟化現象已在金屬中廣泛觀察到。然而，在納米孿晶金剛石(nt-diamond)中沒有類似的軟化現象，這意味著ITBs在這種強共價材料中的高穩定性。

在此，研究者報告了nt-diamond中不同的{112}ITB構型、應力驅動的ITB轉變和構型依賴的ITB遷移在室溫下的原子分辨率觀察。研究者確定了六種ITB結構，其中不對稱的例子具有較低的過剩能量。研究者還觀察了電子輻照誘導的原位ITB活性，發現原子尺度上的位錯介導了ITB的躍遷和遷移。此外，主要的非對稱ITB以剪切耦合的方式緩慢遷移，這是nt-diamond中{112}ITBs在應力下具有高穩定性的原因。

圖1. nt-diamond中存在多個{112}ITBs構型

圖2. 原子分辨率下ITB躍遷的原位觀察

圖3. 依賴于構型的ITB遷移

圖4. ITB活動的應力驅動機制的證據

綜上所述，在金剛石中觀察到的室溫下的ITB活性與金屬或離子材料中的ITB活性明顯不同，說明化學鍵的作用至關重要。此外，研究者對能量耗散特性的分析表明，ITB過渡對nt-diamond增韌的實質性貢獻。觀察到的位錯介導的GB活性也可能發生在其他共價材料中，為高性能共價材料的微觀結構工程提供了潛在的指導原則。

文獻信息

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

原文鏈接：

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

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