Nature：位错诱导的界面转变动力学

位错诱导的界面转变动力学

【导读】

大多数工程材料都是基于通过控制相平衡或像薄膜加工一样通过制造不同材料而产生的多相微结构。在这两个过程中，微观结构通过跨异相界面的失配位错（或几何失配位错）向平衡方向弛豫。尽管它们无处不在，但由于它们的埋藏性质，直接探测错配位错的动态作用是无法实现的。

【成果掠影】

美国纽约州立大学宾汉姆顿分校Guangwen Zhou教授课题组，以氧化铜到铜的界面转变为例，展示了错配位错在以间歇方式调节氧化物到金属的界面转变中的作用，通过这种方式，界面凸台的横向流动被钉扎在错配位错直到位错蔓延到新的氧化物/金属界面位置。结合原子论计算，我们发现钉扎效应与金属原子在位错核处填充空位的非局域输运有关。这些结果提供了固-固界面转变的机理洞察力，对利用埋藏界面的结构缺陷来调节传质和转变动力学具有重要意义。相关论文以题为“Dislocation-induced stop-and-go kinetics of interfacial transformations”发表在Nature上。

【数据概况】

图1. 在Cu₂O/Cu界面形成错配位错

图2. 在623 K和5.3 Pa的H₂气体中Cu₂O→Cu界面转变的停歇流动的原位TEM可视化

图3. 在623 K和5.3 Pa的H₂气体流量下，Cu₂O→Cu界面转变过程中由错配位错调节的间歇性凸台流的原位原子尺度观测

图4. 停走式Cu₂O→Cu界面转变的DFT建模

【成果启示】

总而言之，本工作表明，错配位错阵列对转化动力学施加了固有的界面控制。以金属氧化为例，伴随氧化物生长的大晶格变化通常导致约1-3nm的平衡错配位错间距。这种高密度的错配位错导致对金属/氧化物界面反应动力学的界面控制具有预期的重要性。在最近关于界面结构在相变中的作用的评论中，尚未知道通过在界面边缘流动上的固有错配位错的钉扎作用扩散而延迟全局转变动力学。考虑到固-固相变过程中撬动机制的普遍存在，错配位错在介导固相反应动力学过程中的重要作用可能直接适用于缩放反应(即氧化、硝化、硫化和硅化)、沉淀反应、固相位移反应和互扩散成层，其中控制界面相变的基本过程的原型具有相似性，包括界面层、错配位错和空位辅助扩散。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04880-1