Science解讀：Ni多晶體中晶界速度和曲率不相關

背景介紹

在多晶材料的高溫加工過程中，晶界遷移是影響最終微觀結構的主要原因，決定了材料的許多宏觀性能。這一現象從許多材料中可以明確觀察到。例如，晶界的內部結構影響集成電路中多晶銅的強度和電導率，以及高強度汽車鋼的韌性。晶界的排列對電介質、熱電和光伏器件中使用的功能材料的性能也有深遠的影響。在地質學領域，晶界遷移模型對于理解地幔中巖石的性質和從測量大冰原的微結構獲得有關古氣候的信息是很重要的。晶界速度一直被認為與曲率有關，這是判斷多晶材料在退火過程中粗化的一個重要的理論支撐。

在多晶材料中，晶界速度尚未被測量的技術原因是，直到最近，還沒有辦法測量嵌入不透明材料中的晶體的形狀和體積與時間的關系。近場高能衍射顯微鏡(HEDM)在過去十年的發展使這成為可能。HEDM和相關技術被用于研究多晶退火過程中發生的變化，包括孿晶形成、粗化和晶粒長大。

本文亮點

1. 本工作介紹了一種通過測量不同時間間隔的微觀組織來確定晶界速度的簡單方法。利用鎳在800°C退火過程中6次成像的三維組織，測量了已知晶體學中超過5 × 10⁴個晶面的晶界曲率和速度。

2. 本工作的Ni多晶試樣在950°C下退火6小時，然后在800°C下進行晶粒生長實驗，以獲得最小且恒定的位錯密度。

3. 本工作發現晶界速度與描述晶界晶體學的五個宏觀參數之間有很強的相關性。速度對晶界晶體學的敏感性可能是缺陷介導的晶界遷移或晶界能各向異性的結果。晶界速度和曲率之間不存在相關性很可能是由于晶界網絡施加約束的結果。

圖文解析

圖1.?晶界遷移

要點：

1. 本工作在950°C下退火6小時制備了Ni多晶試樣，然后在800°C下進行晶粒生長實驗，以獲得最小且恒定的位錯密度，不會影響晶粒生長。

2. 本工作用一種參照圖1的方法來測量晶界速度。作者發現圖1中的邊界在不斷變化，不僅位置在變化，形狀和面積也在變化，無法對不同方向的單元區域進行跟蹤。因此，本工作從顆粒間交換的體積中確定了速度，這種方法為整個邊界提供了平均速度，改善了邊界形狀變化帶來的問題。

3. 本工作分析了51794個紋理面。速度分布的平均值為1 μm/min，標準差相同。曲率分布平均值為0.05 μm^-1，標準差為0.08 μm^-1。平均大小對應的晶粒平均半徑為20 μm，與該組織中晶粒的平均尺寸一致。所有邊界都由一組三角形網格元素表示，因此本工作確定每個元素的方向、面積、曲率和速度。

圖2.晶界速度作為曲率的函數

要點：

1. 本工作用散點圖說明了晶面平均晶界速度和曲率之間的關系(圖2,A和B)。當在整個區域查看數據(圖2A)時，大部分數據落在原點附近，數量之間沒有明顯的相關性。對靠近原點處的區域(包含84%的數據)進一步觀察，可以確認缺乏相關性(圖2B)。

2. 為了檢驗具有相似曲率的邊界的平均速度，本工作將邊界劃分為003 μm^-1的曲率區間(圖2C)，沒有發現明顯的相關性。對平均值進行線性擬合得到的斜率為-0.025，相關系數僅為0.17。

圖3.?平均速度作為晶體參數的函數

要點：

1. 本工作還考慮了速度隨晶體參數的變化。作者發現，當取向偏差和晶界平面取向同時被指定時，晶界晶體參數對速度的影響最為顯著。例如，當扭曲角為~40°時，[111]扭曲邊界的平均速度大約翻倍(圖3A)。

2. 類似地，本工作發現所有繞[100]軸旋轉的對稱傾斜晶界(STGBs)的速度相對恒定，當Σ≤49時，Σ等于反晶格符合，直到傾斜角度介于65和75°之間，其中邊界速度是原來的2到3倍。

圖4.?Σ3和Σ7晶界的選擇特性

要點：

1. 本工作考察了固定取向時速度隨晶界平面取向的變化，如Σ3取向所示(圖4A)。作者發現，(111)方向的相干孿晶界速度最小，方向90°的傾斜晶界速度最大。

2. 本工作的數據還表明，相干孿晶的曲率最小(圖4B)，與普遍認為的孿晶界趨于平坦的趨勢一致。最后，當測量的速度與之前計算的晶界移動率(12)相比較時，作者發現孿晶界具有低遷移率和低速度，并且在90°以外具有較高的遷移率。但是，{211}型邊界的最大速度(圖4A)被預測(圖4D)較低。因此，即使將速度除以沿傾斜邊界區域相對恒定的曲率，本工作觀測到的速度與計算的移動量也沒有很好的相關性。

3. 本工作還比較了Σ7邊界(繞2°)的速度、曲率和計算遷移率(圖4，E至H)，因為它們屬于最高速度邊界。最大速度出現在(111)扭曲晶界取向附近的一個寬峰上，在這個寬峰上也有一個最大值(圖4G)，這可以歸因于低的晶界能。所有其他方向的速度都較小。

4. 本工作發現，曲率分布(圖4F)幾乎與速度相反，在扭轉位置曲率局部最小，沿傾斜邊界位置曲率最大。計算得到的流度分布(圖4H)與速度分布相矛盾，這種差異無法用觀測到的曲率來解釋，而這又加強了這種差異。

第一作者：Aditi Bhattacharya

通訊作者：Gregory S. Rohrer

通訊單位：美國卡內基梅隆大學

論文doi：

https://doi.org/10.1126/science.abj3210

原文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3210

本文由溫華供稿。