最新Science:單晶金剛石中跨音速位錯運動的實驗證據

一、【導讀】

由外部應力引起的材料內部位錯的運動與材料的機械性能及其變形動力學有關。當韌性材料受到應力時，材料內部的位錯會移動以局部適應該力，從而產生塑性。脆性材料中通常不存在金屬常見的延展性，如金剛石。但是，即使是脆性材料也可以在某些極端條件下表現出延展性，例如沖擊引起的高應變率變形。雖然位錯介導的塑性的基本機制有時與材料響應外部應力時的應變速率不變，但許多研究已經觀察到具有高速率敏感性的情況。在最高應變速率下，位錯在變形過程中以接近材料聲速的速度移動。迄今為止，在實際晶體中的跨音速或超音速位錯運動尚未在實驗中觀察到。唯一報道的實驗證據表明，在等離子體晶體中,位錯的移動速度比最慢的極限速度快。相比之下，許多理論和分子動力學(MD)模擬研究預測了跨音速甚至超音速位錯運動的存在，表明極限速度不應該是位錯運動的上限。雖然在如此高的速度下產生位錯對MD模擬來說相對簡單，但測量位錯的實驗還無法達到這種快速驅動的條件。到目前為止，還沒有人能夠直接測量這些位錯通過材料傳播的速度。當應變率>10⁷ s^?1時，激波壓縮技術為研究高速位錯提供了一個獨特的系統，因為激波前的能量不連續可以產生比極限速度更快的位錯。

二、【成果掠影】

線缺陷(位錯)的運動已被研究了60多年，但其運動的最大速度尚未得到解決。最近的模型和原子模擬預測在跨聲速和亞聲速之間存在位錯運動的極限速度。到目前為止，還沒有人能夠直接測量這些位錯通過材料傳播的速度。近日，大阪大學、日本同步輻射研究所、美國斯坦福大學材料科學與工程系、SLAC國家加速器實驗室Kento Katagiri團隊使用飛秒X射線攝影技術來跟蹤沖擊壓縮單晶金剛石中的超快位錯運動。通過觀察疊加斷層的擴展速度比金剛石最慢的聲波速度還要快，展示了其前緣部分位錯跨聲速移動的證據。了解晶體中位錯遷移率的上限對于準確建模、預測和控制極端條件下材料的力學性能至關重要。相關研究成果以“Transonic dislocation propagation in diamond”為題發表在國際著名期刊Science?上。

三、【核心創新點】

首次通過實驗證據直接測量位錯通過材料傳播的速度，利用飛秒X射線攝影證明了位錯在單晶金剛石中的傳播速度比聲波的速度更快。

四、【數據概覽】

圖1受激金剛石的飛秒x射線攝影? 2023 AAAS

(A)金剛石樣品受到光學激光照射驅動的沖擊波的應力。原位x射線成像是通過使用飛秒XFEL脈沖，垂直于沖擊波的傳播軸照射樣品來測量的。氟化鋰(LiF)晶體放置在XFEL下游，以收集透射x射線的空間強度分布。(B)我們使用LiF晶體捕獲的具有代表性的圖像，以顯示沿沖擊方向傳播的彈塑性沖擊波前。在塑性波前后面，層錯呈現為暗帶和亮帶，表明存在與塑性激波前一起傳播的部分位錯(品紅色箭頭)。黃色虛線的作用是引導眼睛看到輻射。

圖2堆疊層錯的可視化? 2023 AAAS

(A)鉆石沿[100]方向震蕩的x射線圖像。每個圖像上的數字表示相對于驅動激光照射的XFEL探針定時。在整個視野中出現的垂直線是鉆石未拋光側面的紋理。這兩個具有同心圓散射圖案的大圓是由XFEL上游鈹窗上的碎片散射引起的。(B)具有相應平面取向的未變形的金剛石晶格結構。(C)快速傅里葉變換(FFT)濾波后的圖像顯示了在16ns鏡頭中觀察到的疊加層錯。對應的區域用(A)中的黃色虛線矩形表示。橙色箭頭用于引導眼睛指向與菱形{111}平面不平行的條帶之一。(D)鉆石沿[110]方向受到沖擊時的x射線攝影圖像。12ns圖像與圖1B中所示的圖像相同。(E)顯示平面方向的未變形晶格結構。(F) 16 ns[110]激波的FFT濾波圖像。(C)和(F)中所示角度的誤差表示多次測量的1σ。

圖3受激金剛石中的跨音速位錯運動? 2023 AAAS

(A)測量到的位錯在金剛石中的傳播距離(x_d)隨XFEL延遲(t)的變化。x_d= 0 μm表示燒蝕器與金剛石之間的界面，t=0 ns表示激光到達燒蝕器的時間。藍色圓圈和紅色方塊分別代表在[100]和[110]激波方向上的實驗結果。所記錄的位錯傳播速度(v_d)由線性擬合(實線)的斜率獲得。每個圖上的誤差條表示多次測量的1σ。x_d上顯示的誤差條中不包括驅動激光強度的逐次波動。v_d上的誤差是根據擬合的1σ和每個圖上的誤差來評估的。(B) v_d與金剛石在激波狀態下的物質密度(ρ)的關系。黑色曲線為計算出的金剛石沿[110]方向傳播的c₁、c₂和c₃。ρ的誤差條由塑性激波速度的誤差傳播。

五、【成果啟示】

使用原位X射線攝影顯示了金剛石中跨音速位錯運動的實驗證據。微觀位錯運動發射的輻射會影響宏觀彈塑性變形動力學。該實驗結果顯示跨音速位錯運動為改進模型以深入了解這些極端條件下的超快變形行為提供了關鍵的新機會。在最高應變速率下的新改進模型將對許多領域產生顯著影響，包括結構材料的超快斷裂、地震破裂的預測和分析、精密制造過程和電化學應用中的功能。

文獻鏈接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adh5563

本文由小藝撰稿

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