最新Science:单晶金刚石中跨音速位错运动的实验证据

一、【导读】

由外部应力引起的材料内部位错的运动与材料的机械性能及其变形动力学有关。当韧性材料受到应力时，材料内部的位错会移动以局部适应该力，从而产生塑性。脆性材料中通常不存在金属常见的延展性，如金刚石。但是，即使是脆性材料也可以在某些极端条件下表现出延展性，例如冲击引起的高应变率变形。虽然位错介导的塑性的基本机制有时与材料响应外部应力时的应变速率不变，但许多研究已经观察到具有高速率敏感性的情况。在最高应变速率下，位错在变形过程中以接近材料声速的速度移动。迄今为止，在实际晶体中的跨音速或超音速位错运动尚未在实验中观察到。唯一报道的实验证据表明，在等离子体晶体中,位错的移动速度比最慢的极限速度快。相比之下，许多理论和分子动力学(MD)模拟研究预测了跨音速甚至超音速位错运动的存在，表明极限速度不应该是位错运动的上限。虽然在如此高的速度下产生位错对MD模拟来说相对简单，但测量位错的实验还无法达到这种快速驱动的条件。到目前为止，还没有人能够直接测量这些位错通过材料传播的速度。当应变率>10⁷s⁻¹时，激波压缩技术为研究高速位错提供了一个独特的系统，因为激波前的能量不连续可以产生比极限速度更快的位错。

二、【成果掠影】

线缺陷(位错)的运动已被研究了60多年，但其运动的最大速度尚未得到解决。最近的模型和原子模拟预测在跨声速和亚声速之间存在位错运动的极限速度。到目前为止，还没有人能够直接测量这些位错通过材料传播的速度。近日，大阪大学、日本同步辐射研究所、美国斯坦福大学材料科学与工程系、SLAC国家加速器实验室Kento Katagiri团队使用飞秒X射线摄影技术来跟踪冲击压缩单晶金刚石中的超快位错运动。通过观察叠加断层的扩展速度比金刚石最慢的声波速度还要快，展示了其前缘部分位错跨声速移动的证据。了解晶体中位错迁移率的上限对于准确建模、预测和控制极端条件下材料的力学性能至关重要。相关研究成果以“Transonic dislocation propagation in diamond”为题发表在国际著名期刊Science上。

三、【核心创新点】

首次通过实验证据直接测量位错通过材料传播的速度，利用飞秒X射线摄影证明了位错在单晶金刚石中的传播速度比声波的速度更快。

四、【数据概览】

图1受激金刚石的飞秒x射线摄影© 2023 AAAS

(A)金刚石样品受到光学激光照射驱动的冲击波的应力。原位x射线成像是通过使用飞秒XFEL脉冲，垂直于冲击波的传播轴照射样品来测量的。氟化锂(LiF)晶体放置在XFEL下游，以收集透射x射线的空间强度分布。(B)我们使用LiF晶体捕获的具有代表性的图像，以显示沿冲击方向传播的弹塑性冲击波前。在塑性波前后面，层错呈现为暗带和亮带，表明存在与塑性激波前一起传播的部分位错(品红色箭头)。黄色虚线的作用是引导眼睛看到辐射。

图2堆叠层错的可视化© 2023 AAAS

(A)钻石沿[100]方向震荡的x射线图像。每个图像上的数字表示相对于驱动激光照射的XFEL探针定时。在整个视野中出现的垂直线是钻石未抛光侧面的纹理。这两个具有同心圆散射图案的大圆是由XFEL上游铍窗上的碎片散射引起的。(B)具有相应平面取向的未变形的金刚石晶格结构。(C)快速傅里叶变换(FFT)滤波后的图像显示了在16ns镜头中观察到的叠加层错。对应的区域用(A)中的黄色虚线矩形表示。橙色箭头用于引导眼睛指向与菱形{111}平面不平行的条带之一。(D)钻石沿[110]方向受到冲击时的x射线摄影图像。12ns图像与图1B中所示的图像相同。(E)显示平面方向的未变形晶格结构。(F) 16 ns[110]激波的FFT滤波图像。(C)和(F)中所示角度的误差表示多次测量的1σ。

图3受激金刚石中的跨音速位错运动© 2023 AAAS

(A)测量到的位错在金刚石中的传播距离(x_d)随XFEL延迟(t)的变化。x_d= 0 μm表示烧蚀器与金刚石之间的界面，t=0 ns表示激光到达烧蚀器的时间。蓝色圆圈和红色方块分别代表在[100]和[110]激波方向上的实验结果。所记录的位错传播速度(v_d)由线性拟合(实线)的斜率获得。每个图上的误差条表示多次测量的1σ。x_d上显示的误差条中不包括驱动激光强度的逐次波动。v_d上的误差是根据拟合的1σ和每个图上的误差来评估的。(B)v_d与金刚石在激波状态下的物质密度(ρ)的关系。黑色曲线为计算出的金刚石沿[110]方向传播的c₁、c₂和c₃。ρ的误差条由塑性激波速度的误差传播。

五、【成果启示】

使用原位X射线摄影显示了金刚石中跨音速位错运动的实验证据。微观位错运动发射的辐射会影响宏观弹塑性变形动力学。该实验结果显示跨音速位错运动为改进模型以深入了解这些极端条件下的超快变形行为提供了关键的新机会。在最高应变速率下的新改进模型将对许多领域产生显著影响，包括结构材料的超快断裂、地震破裂的预测和分析、精密制造过程和电化学应用中的功能。

文献链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adh5563

本文由小艺撰稿