2024年1月3日，燕山大学田永君、徐波及胡文涛共同通讯在Nature 在线发表题为「Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond」的研究论文，该研究报告了在室温下金刚石中六种ITB构型和结构转变的原子观察，显示了不同于金属系统的位错介导机制。
主导ITBs不对称且流动性较差，对纳米孪晶金刚石的连续硬化起着重要作用。该研究讨论了ITB活动的潜在驱动力。总之，该研究结果揭示了金刚石和共价材料中GB的行为，指出了开发高性能纳米孪晶材料的新策略。
晶界(GBs)作为多晶材料中的一种平面缺陷，已知会影响广泛的材料性能。例如，在纳米结构金属和超硬材料中，包含孪晶界的高密度GB可以强烈地阻碍位错运动，从而大大促进强化和硬化。根据热力学条件和加工历史的不同，GB可以采用多种构型，具有不同的边界性质，如扩散率、迁移率和内聚强度。越来越多的证据表明，在热或机械刺激下，不同的GB构型可能会发生相转变，从而导致微观组织演变(例如，异常晶粒生长和稳定的纳米晶合金)和材料性能(例如，液态金属脆化)的突变。由于大多数功能和工程材料都是多晶固体，因此深入了解GB结构及其转变对于进一步优化材料性能至关重要。为此，关于原子尺度上的GB配置和转换机制的详细信息至关重要。
在过去的十年中，利用最先进的透射电子显微镜在理论模拟的辅助下，在表征GB构型和阐明转变机制方面取得了实质性进展。这些研究为通过GBs工程和相关过渡开发材料提供了有见地的信息。例如，在铜中，在Σ19b(178) GB处发现了两种共存的GB构型，具有应力或热激活驱动的无扩散的一阶结构转变。在α-Al₂O₃双晶中，通过辐照诱导的局部应变驱动的结构转变，观察到Σ7[0001] GB的原子迁移，表明了GB活性中原子的协同shuffle运动。
nt-diamond中存在多个{112}ITB构型 | 图源：Nature
在金属中观察到原子分辨率的GB迁移和滑动，并确定了涉及位错、断开和层错(SFs)的不同机制。然而，这些原子性的研究只限于金属和简单的离子氧化物。对于像金刚石这样具有方向性和更强化学键的共价材料，尽管进行了许多努力，但GB结构及其对外部机械刺激的响应仍然难以实现，这主要是由于样品制备和应用足够高的应力来激活缺陷的困难。然而，这些在金刚石中的研究对于寻找材料设计和性能增强的新机会具有范例意义。
原子分辨率下ITB跃迁的原位观察 | 图源：Nature
在纳米孪晶、面心立方材料中，{112}非相干孪晶界(ITBs)作为Σ3{111}相干孪晶界(CTBs)之间的台阶普遍存在，其长度由相邻CTBs之间的间距决定。当{111}孪晶厚度低于几个纳米的临界值时，已在金属中广泛观察到{112}ITBs的快速迁移引起的软化。然而，在纳米孪晶金刚石(nt-diamond)中没有类似的软化现象，这表明ITBs在这种强共价材料中具有很高的稳定性。
该研究报告了在室温下nt-diamond中不同的{112}ITB构型，应力驱动的ITB转变和构型依赖的ITB迁移的原子分辨率观察。该研究确定了6种ITB构型，其中以超能较低的非对称构型为主。该研究还观察了电子辐照诱导的原位ITB活性，显示了ITB在原子尺度上由位错介导的转变和迁移。此外，主要的不对称ITBs以剪切耦合的方式缓慢迁移，这是{112}ITBs在应力作用下具有高稳定性的原因。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06908-6
2024年1月3日，燕山大学田永君、徐波及胡文涛共同通讯在Nature 在线发表题为「Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond」的研究论文，该研究报告了在室温下金刚石中六种ITB构型和结构转变的原子观察，显示了不同于金属系统的位错介导机制。
主导ITBs不对称且流动性较差，对纳米孪晶金刚石的连续硬化起着重要作用。该研究讨论了ITB活动的潜在驱动力。总之，该研究结果揭示了金刚石和共价材料中GB的行为，指出了开发高性能纳米孪晶材料的新策略。
晶界(GBs)作为多晶材料中的一种平面缺陷，已知会影响广泛的材料性能。例如，在纳米结构金属和超硬材料中，包含孪晶界的高密度GB可以强烈地阻碍位错运动，从而大大促进强化和硬化。根据热力学条件和加工历史的不同，GB可以采用多种构型，具有不同的边界性质，如扩散率、迁移率和内聚强度。越来越多的证据表明，在热或机械刺激下，不同的GB构型可能会发生相转变，从而导致微观组织演变(例如，异常晶粒生长和稳定的纳米晶合金)和材料性能(例如，液态金属脆化)的突变。由于大多数功能和工程材料都是多晶固体，因此深入了解GB结构及其转变对于进一步优化材料性能至关重要。为此，关于原子尺度上的GB配置和转换机制的详细信息至关重要。
在过去的十年中，利用最先进的透射电子显微镜在理论模拟的辅助下，在表征GB构型和阐明转变机制方面取得了实质性进展。这些研究为通过GBs工程和相关过渡开发材料提供了有见地的信息。例如，在铜中，在Σ19b(178) GB处发现了两种共存的GB构型，具有应力或热激活驱动的无扩散的一阶结构转变。在α-Al₂O₃双晶中，通过辐照诱导的局部应变驱动的结构转变，观察到Σ7[0001] GB的原子迁移，表明了GB活性中原子的协同shuffle运动。
nt-diamond中存在多个{112}ITB构型 | 图源：Nature
在金属中观察到原子分辨率的GB迁移和滑动，并确定了涉及位错、断开和层错(SFs)的不同机制。然而，这些原子性的研究只限于金属和简单的离子氧化物。对于像金刚石这样具有方向性和更强化学键的共价材料，尽管进行了许多努力，但GB结构及其对外部机械刺激的响应仍然难以实现，这主要是由于样品制备和应用足够高的应力来激活缺陷的困难。然而，这些在金刚石中的研究对于寻找材料设计和性能增强的新机会具有范例意义。
原子分辨率下ITB跃迁的原位观察 | 图源：Nature
在纳米孪晶、面心立方材料中，{112}非相干孪晶界(ITBs)作为Σ3{111}相干孪晶界(CTBs)之间的台阶普遍存在，其长度由相邻CTBs之间的间距决定。当{111}孪晶厚度低于几个纳米的临界值时，已在金属中广泛观察到{112}ITBs的快速迁移引起的软化。然而，在纳米孪晶金刚石(nt-diamond)中没有类似的软化现象，这表明ITBs在这种强共价材料中具有很高的稳定性。
该研究报告了在室温下nt-diamond中不同的{112}ITB构型，应力驱动的ITB转变和构型依赖的ITB迁移的原子分辨率观察。该研究确定了6种ITB构型，其中以超能较低的非对称构型为主。该研究还观察了电子辐照诱导的原位ITB活性，显示了ITB在原子尺度上由位错介导的转变和迁移。此外，主要的不对称ITBs以剪切耦合的方式缓慢迁移，这是{112}ITBs在应力作用下具有高稳定性的原因。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06908-6
