Nat. Commun.：原位力電樣品桿研究晶界遷移機制
日期：2019-01-16
近日，浙江大學張澤院士、王江偉研究員團隊在《Nat. Commun.》上發表了題為《In situ atomistic observation of disconnection-mediated grain boundary migration》的研究成果(NAT.COMMUN.|(2019)10:156)。研究者們在透射電鏡中利用PicoFemto?原位力學-電學樣品桿巧妙地設計實驗，成功原位制備并測量了多種金屬納米結構。該研究成果為建立完整的晶界變形理論提供有力的實驗依據，進而也為改善材料的力學性能提供了新思路。
深入研究晶界遷移機制對于調控材料的力學性能具有重要意義。作為一種常見的塑性變形行為，晶界遷移現象受到了廣泛報道和關注。其中，disconnection晶界遷移機制關注的是切應力作用下的晶界遷移現象，這一理論模型受到廣泛關注并且在分子動力學模擬中得到了證實和完善。然而，如果想要進一步對材料塑性變形過程中晶界機制有更加系統的認識和深入的理解，就一定做到實時觀測應力作用下晶界處原子結構的動態演變過程。
本文結合先進的原位電鏡技術和分子動力學模擬，從原子尺度揭示了剪切應力作用下不同結構的晶界通過disconnection形核、滑移和交互作用實現往復遷移的普適機制。進一步研究發現，納米晶材料中的三叉晶界可以作為disconnection形核的有效位置，促進晶界遷移，并且其它晶界缺陷（如位錯）對該遷移不產生明顯的釘扎作用，顯著提高了材料的塑性變形能力。
PicoFemto?原位力學-電學樣品桿與球差電鏡、高速相機結合，高質量地制備出多種包含不同類型晶界的金屬納米結構；在實現了穩定的原位剪切加載的基礎上，借助高速相機實時捕捉變形過程中晶界結構的動態演變過程，該方法可有效制備各種不同類型的晶界，從而為晶界變形行為的研究提供了一種有效的手段。即使在球差電鏡中，PicoFemto?原位力學-電學樣品桿也保持了原子級穩定性，從而使照片保證了球差電鏡原有分辨率。該產品擁有世面上同類產品中卓群的操縱范圍（XY—2.5 mm，Z—1.5 mm，9個數量級）、高的操縱精度（XY—0.4 nm，Z—0.04 nm）以及高的穩定性（無抖動，保證電鏡原有分辨率）。實驗中無論粗調、細調都是全軟件操作，界面友好，易用性強。
圖1 原子尺度觀察Σ11(113)晶界上兩種不同類型disconnection滑移導致的晶界遷移現象，并在分子動力學模擬中得到驗證
圖2 Σ11(113)晶界在循環加載過程中通過disconnection機制實現往復遷移
圖3 Disconnection在復雜晶界結構塑性變形中的三叉晶界形核機制
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作者：小攸