北京時間2024年1月4日，Nature雜志在線發表了燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室高壓科學中心田永君院士團隊的最新成果。研究人員系統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構型，并原位記錄了室溫條件下由位錯介導的界面結構轉變和依賴于結構的界面遷移行為。

       燕山大學高壓科學中心田永君院士、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。

       在面心立方結構或金剛石結構的納米孿晶材料中，Σ3{112}/<110>非共格孿晶界(ITB)是一種常見的界面。在金屬中，這種界面在孿晶厚度低于某一臨界值時會迅速遷移，誘發去孿晶化過程，這也是導致納米孿晶結構金屬材料軟化的關鍵原因。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一步細化并沒有出現軟化現象，材料的硬度持續增加。這表明Σ3{112} ITB在共價材料中具有迥異于金屬體系的高穩定性。探明這種高穩定性的結構起源，對于理解納米孿晶金剛石的持續硬化機制、發展高性能納米孿晶結構材料具有重要意義。
       為此，研究人員使用球差校正掃描透射電子顯微鏡系統地表征了納米孿晶金剛石Σ3{112} ITB原子分辨的界面結構，并借助電子輻照荷電效應所產生的機械應力，研究了界面結構轉變和遷移過程及機制。他們發現，由于共價鍵的方向性和飽和性，以及sp2和sp3兩種雜化態的存在，納米孿晶金剛石中的Σ3{112} ITB呈現多種構型（兩類—鏡面對稱和非鏡面對稱，各三種），并表現出構型相關的不同遷移方式：鏡面對稱構型可以進行長距離快速遷移，其結構與行為特性與金屬材料中觀察結果類似；而非鏡面對稱構型則以剪切耦合模式進行短距離遷移。在應力作用下，不同構型的ITB可以通過位錯介導機制相互轉變，進而影響界面的遷移模式；但非對稱構型與對稱構型之間的轉變涉及到界面兩側剛體位移變化，受共格孿晶界的約束而具有較高的轉變勢壘。因此，納米孿晶金剛石中Σ3{112} ITB主要以低能量、低遷移率的非對稱構型存在，即便在孿晶厚度低至約1 nm時依然如此，從而導致了納米孿晶金剛石的持續硬化行為。

圖1. 納米孿晶金剛石中Σ3{112}/<110>非共格孿晶界的原子級構型。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原子級構型；i，結構搜索表明識別出的六種構型具有較低的界面能。

圖2. 位錯介導的界面結構轉變。a-f，界面結構轉變的兩個典型實例；g，界面結構轉變的類型及機制。

       研究人員結合旋進電子衍射和分子動力學模擬結果，進一步確認了界面結構轉變所需的激活應力接近于金剛石中全位錯啟動所需的臨界剪切應力，從而揭示了納米孿晶金剛石中Σ3{112} ITB高穩定性的結構起源。這項工作進一步闡釋了納米孿晶金剛石的持續硬化機理，也為研究其韌化和室溫塑性提供了新思路。此外，它進一步豐富了人們對材料界面及其行為的認識，不僅提供了共價材料中界面室溫結構轉變和遷移的直接信息，還為新型納米孿晶材料設計及強韌化策略實施奠定了理論基礎。
該項研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、河北省自然科學基金等項目的支持。

相關論文信息：

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