上海交大Nat. Commun.：原位觀察位錯攀移和晶界的運動

1. 導讀

納米材料具有優異的力學性能，其內部包含的納米級缺陷尺寸影響位錯的形核，運動以及反應。但是目前原子級位錯運動機制尚不清楚，尤其是位錯的攀移。雖然理論計算和原子模擬給出了一些研究結果，然而，位錯攀移的原位原子尺度實驗觀測還沒有實現。因此，位錯心在攀移過程中的動態演化規律尚不清楚，納米尺度對位錯攀移的影響也不甚清楚。本工作報告了在具有面心立方(FCC)結構的去合金化納米多孔Au韌帶中傾斜晶界(GB)位錯的原子尺度原位觀察。

2. 成果掠影

最近，來自上海交通大學的劉攀特別研究員、佐治亞理工學院朱廷教授和約翰斯-霍普金斯大學陳明偉教授相互合作，報告了室溫原位應變過程中納米金晶界(GB)位錯攀移的原子尺度觀察結果。研究表明：位錯攀移由外加彎曲應力誘導重建位錯中心額外半原子面邊緣的兩個相鄰原子柱驅動。這與傳統認為的位錯攀移是通過在位錯核心處破壞或構建單個原子柱的觀點不同。蒙特卡洛模擬證明了位錯攀登的原子路徑在能量上是有利的，且適用于一般對稱晶界。本文的原位觀察還揭示了室溫下位錯攀移的晶界演化過程，這為控制納米結構金屬的微觀結構和性能提供了一種手段。相關成果以“In situ atomic-scale observation of dislocation climb and grain boundary evolution in nanostructured metal”為題發表在國際頂級期刊Nature Communications上。

3.?核心創新點

(1) 通過原位實驗發明了位錯攀移是由外加彎曲應力誘導重建位錯中心額外半原子面邊緣的兩個相鄰原子柱驅動的新機制;

(2) 通過模擬加實驗成功證明了位錯攀移的晶界演變過程；

4. 圖文導讀

圖1原位HRTEM圖像顯示HAGB上的室溫位錯攀移和從HRTEM圖像重建的原子模型。a-g. 位錯用符號和數字表示。圖中插入的Burgers回路表示位錯的相同刃型分量. 新形成的孿晶片用g中的紅色虛線表示。比例尺:a為2nm, b為1nm；h. HRTEM圖像重構的原子模型；Σ3 TB由深灰色平面標記，位錯核心由紅色原子柱突出；黃色的曲線平面表示彎曲的中性平面。i. 重建了b-g中HRTEM圖像對應的原子構型. ? 2022 Nature communications

圖2 HRTEM圖像測得2爬升速度4位錯的位移. a-e HRTEM圖像顯示了位錯核的快速移動(用虛線圈出)。比例尺:1nm；f在整個現場應變過程中，位錯4的攀移速度和位移隨時間的函數. ? 2022 Nature communications

圖3 正攀移過程中位錯心的重構。a-f. 一系列HRTEM圖像顯示了位錯心的重構。比例尺:0.5 nm. g. a-f圖中沿虛線矩形提取的對應對比度強度輪廓；h-I, GCMC結果揭示了位錯核在正向爬升過程中的原子結構演化; 圖片的上行顯示了兩個相鄰原子列(紅色)合并過程的俯視圖(xy平面)，在兩個GB位錯的每個核心(用符號標記)。下面一行是沿著h中的黑色虛線切割原子結構產生的相應側視圖(xz-plane); 另外兩個相鄰的原子柱(青色)作為參考，不直接參與攀移位錯心的重構過程。? 2022 Nature communications

圖4 負向攀移過程中位錯心的重構；a-d一系列顯示重建過程的HRTEM圖像。比例尺:0.5 nm. e. a-d圖中沿點矩形提取的對應對比度強度輪廓. ? 2022 Nature communications

5. 成果啟迪

材料的力學性能很大程度上受位錯攀移和位錯運動的影響，本文該研究為納米結構金屬材料的室溫蠕變、晶粒粗化和室溫超塑性等提供了新的見解。

論文鏈接：https://wwwnature.53yu.com/articles/s41467-022-31800-8