Nature：位錯誘導的界面轉變動力學

位錯誘導的界面轉變動力學

【導讀】

大多數工程材料都是基于通過控制相平衡或像薄膜加工一樣通過制造不同材料而產生的多相微結構。在這兩個過程中，微觀結構通過跨異相界面的失配位錯（或幾何失配位錯）向平衡方向弛豫。盡管它們無處不在，但由于它們的埋藏性質，直接探測錯配位錯的動態作用是無法實現的。

【成果掠影】

美國紐約州立大學賓漢姆頓分校Guangwen Zhou教授課題組，以氧化銅到銅的界面轉變為例，展示了錯配位錯在以間歇方式調節氧化物到金屬的界面轉變中的作用，通過這種方式，界面凸臺的橫向流動被釘扎在錯配位錯直到位錯蔓延到新的氧化物/金屬界面位置。結合原子論計算，我們發現釘扎效應與金屬原子在位錯核處填充空位的非局域輸運有關。這些結果提供了固-固界面轉變的機理洞察力，對利用埋藏界面的結構缺陷來調節傳質和轉變動力學具有重要意義。相關論文以題為“Dislocation-induced stop-and-go kinetics of interfacial transformations”發表在Nature上。

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【數據概況】

圖1. 在Cu₂O/Cu界面形成錯配位錯

圖2. 在623?K和5.3?Pa的H₂氣體中Cu₂O→Cu界面轉變的停歇流動的原位TEM可視化

圖3. 在623?K和5.3 Pa的H₂氣體流量下，Cu₂O→Cu界面轉變過程中由錯配位錯調節的間歇性凸臺流的原位原子尺度觀測

圖4. 停走式Cu₂O→Cu界面轉變的DFT建模

【成果啟示】

總而言之，本工作表明，錯配位錯陣列對轉化動力學施加了固有的界面控制。以金屬氧化為例，伴隨氧化物生長的大晶格變化通常導致約1-3nm的平衡錯配位錯間距。這種高密度的錯配位錯導致對金屬/氧化物界面反應動力學的界面控制具有預期的重要性。在最近關于界面結構在相變中的作用的評論中，尚未知道通過在界面邊緣流動上的固有錯配位錯的釘扎作用擴散而延遲全局轉變動力學。考慮到固-固相變過程中撬動機制的普遍存在，錯配位錯在介導固相反應動力學過程中的重要作用可能直接適用于縮放反應(即氧化、硝化、硫化和硅化)、沉淀反應、固相位移反應和互擴散成層，其中控制界面相變的基本過程的原型具有相似性，包括界面層、錯配位錯和空位輔助擴散。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04880-1