Science Advance：輻照誘發晶界小刻面運動:原位觀測和原子尺度機制

虛谷納物 11個月前 (08-26) 1540瀏覽

一、導讀

建立支撐輻射環境中微結構退化的機制是材料科學的基本挑戰。了解這些機制，特別是輻照誘導的位移損傷和界面動力學之間的相互作用非常重要，因為它可以為預測或提高材料的輻射耐受性提供策略。許多研究表明，當界面間距在幾納米時，界面能夠充當缺陷陷阱并減輕輻射損傷。一系列納米晶金屬與粗晶材料相比，輻射耐受性明顯改善。在這些改進的地方，通常與界面密度的增加和高點缺陷簇的陷阱效率有關。這種界面介導機制的有效性與晶界特征、缺陷團簇的具體類型以及輻照種類、輻射通量和污染水平等因素密切相關。輻照也可以加速晶粒粗化，與熱粗化一樣，輻照粗化通常被認為是一個曲率驅動的過程，晶粒在線漲力的作用下粗化，以降低總界面自由能。輻照可以增加界面的流動性，使GB運動在整體溫度下發生，遠低于粗化的熱起始溫度。通過解釋碰撞級聯或相關離子引起的熱事件如何增加跨界面的原子躍遷率，可以模擬晶界的移動。盡管晶粒粗化及其與輻照增強遷移率之間的關系已為人們所熟知，但這些過程是如何在原子尺度上與晶界的局部原子結構相協調尚不清楚。本文則提供了在原子尺度的解釋。

二、成果掠影

近日，來自美國桑迪亞國家實驗室的Christopher M. Barr和Douglas L. Medlin研究員結合原位重離子輻照、原子分辨顯微鏡和分子動力學模擬來闡明輻射損傷和界面缺陷如何相互作用來控制晶界(GB)運動。雖然輻照下晶界演化的經典概念基于曲率驅動，但現實遠比這復雜得多。聚焦于離子輻照Pt的Σ3 GB，本工作展示了該晶界如何通過分離納米級{112}晶面族120°刻面連接的運動演變過程。研究表明：短距和中距離子相互作用使刻面粗化并誘發局部運動并和長距離子相互作用，使得界面斷開以適應晶間取向差的重新排布。局部和長周期的集體相互作用對理解輻照誘導的界面演化是重要的。揭示了從原子尺度展示了這些斷開的攀移如何驅動關聯刻面連接的協調運動。相關成果以“Irradiation-induced grain boundary facet motion: In situ observations and atomic-scale mechanisms”為題發表在國際著名期刊Science Advance期刊上。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn0900

三、核心創新點

從原子尺寸，首次動態的揭示了金屬界面在離子輻照過程中的運動規律，為組織的調控提供了很好的理解與策略。

四、數據概覽

圖1 所分析的GB及其周圍環境；(A)自動晶體取向圖顯示感興趣界面附近的晶粒方向。晶界將圖 (B)中心標記為A和B的兩個指示晶粒分開，并終止于三聯點[在(C)標記為TJ]。晶界在Σ3{112}的界面上以120°相交。(D)高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡圖像顯示原子分辨率結構。(E)理想界面和鏈接結構的原子模型[嵌入原子法(EAM)]。原子分辨率圖像的快速傅里葉變換分析[插入(D)]表明，晶粒從精確的Σ3方向旋轉了3.2°。

圖2 Σ3GB在TEM離子輻照過程中的演變。 (A)預輻照，(B) 0.3 dpa， (C) 1 dpa。(i至vi)瞬變電磁法拍攝的一系列靜態明場像。視頻S1(0.369 ~ 0.459 dpa)說明了輻照誘導缺陷(GB的外部)與多面體Σ3 {112} GB之間的局域相互作用。

圖3 離子輻照前后的晶面連接位置與輻照前測得的界面斷開量有關；(A和B)輻照前后的GB刻面。(C)照射前(紅色)和照射后(藍色)測量的刻面位置圖。刻面主要是相對于它們的初始位置向上移動。圖(C)中未輻照晶界的綠點標記了高倍圖像中圍繞參考晶粒B刻面連接對的中點。(D)顯示了一個刻面對的回路圖示例，b = (a/6)[11] =δΑ，參考系為右邊的晶體(晶粒B)。觀察到的斷開Burgers矢量主要由(a/6)[11] =δΑ組成，盡管在平均晶界傾角實質上偏離(11)的地方出現了其他分量。