Nat. Commun.：原位力電樣品桿研究晶界遷移機制
日期：2019-01-16
近日，浙江大學(xué)張澤院士、王江偉研究員團隊在《Nat. Commun.》上發(fā)表了題為《In situ atomistic observation of disconnection-mediated grain boundary migration》的研究成果(NAT.COMMUN.|(2019)10:156)。研究者們在透射電鏡中利用PicoFemto?原位力學(xué)-電學(xué)樣品桿巧妙地設(shè)計實驗，成功原位制備并測量了多種金屬納米結(jié)構(gòu)。該研究成果為建立完整的晶界變形理論提供有力的實驗依據(jù)，進而也為改善材料的力學(xué)性能提供了新思路。
深入研究晶界遷移機制對于調(diào)控材料的力學(xué)性能具有重要意義。作為一種常見的塑性變形行為，晶界遷移現(xiàn)象受到了廣泛報道和關(guān)注。其中，disconnection晶界遷移機制關(guān)注的是切應(yīng)力作用下的晶界遷移現(xiàn)象，這一理論模型受到廣泛關(guān)注并且在分子動力學(xué)模擬中得到了證實和完善。然而，如果想要進一步對材料塑性變形過程中晶界機制有更加系統(tǒng)的認識和深入的理解，就一定做到實時觀測應(yīng)力作用下晶界處原子結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變過程。
本文結(jié)合先進的原位電鏡技術(shù)和分子動力學(xué)模擬，從原子尺度揭示了剪切應(yīng)力作用下不同結(jié)構(gòu)的晶界通過disconnection形核、滑移和交互作用實現(xiàn)往復(fù)遷移的普適機制。進一步研究發(fā)現(xiàn)，納米晶材料中的三叉晶界可以作為disconnection形核的有效位置，促進晶界遷移，并且其它晶界缺陷（如位錯）對該遷移不產(chǎn)生明顯的釘扎作用，顯著提高了材料的塑性變形能力。
PicoFemto?原位力學(xué)-電學(xué)樣品桿與球差電鏡、高速相機結(jié)合，高質(zhì)量地制備出多種包含不同類型晶界的金屬納米結(jié)構(gòu)；在實現(xiàn)了穩(wěn)定的原位剪切加載的基礎(chǔ)上，借助高速相機實時捕捉變形過程中晶界結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變過程，該方法可有效制備各種不同類型的晶界，從而為晶界變形行為的研究提供了一種有效的手段。即使在球差電鏡中，PicoFemto?原位力學(xué)-電學(xué)樣品桿也保持了原子級穩(wěn)定性，從而使照片保證了球差電鏡原有分辨率。該產(chǎn)品擁有世面上同類產(chǎn)品中卓群的操縱范圍（XY—2.5 mm，Z—1.5 mm，9個數(shù)量級）、高的操縱精度（XY—0.4 nm，Z—0.04 nm）以及高的穩(wěn)定性（無抖動，保證電鏡原有分辨率）。實驗中無論粗調(diào)、細調(diào)都是全軟件操作，界面友好，易用性強。
圖1 原子尺度觀察Σ11(113)晶界上兩種不同類型disconnection滑移導(dǎo)致的晶界遷移現(xiàn)象，并在分子動力學(xué)模擬中得到驗證
圖2 Σ11(113)晶界在循環(huán)加載過程中通過disconnection機制實現(xiàn)往復(fù)遷移
圖3 Disconnection在復(fù)雜晶界結(jié)構(gòu)塑性變形中的三叉晶界形核機制
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作者：小攸