燕山大学Nature：金刚石结构转变与非相干孪晶界迁移

金爵 1个月前 (01-04) 917浏览

一、【导读】

金刚石是一种由碳原子构成的晶体结构，具有非常高的硬度和热导率，还具有高透光性、宽禁带等突出优势，有着广泛的应用前景，但是其固有脆性易引发灾难性故障，对以金刚石材料为关键部件的器件的可靠性和使用寿命构成了重大威胁。需要在保证金刚石超高硬度的同时提升其断裂韧性。其结构转变是指在一定的条件下，金刚石晶体结构发生变化的过程。非相干孪晶界是指两个晶体之间的界面，界面上的晶体排列方式与晶体本身的排列方式不同。非相干孪晶界在材料中的运动和扩散过程称作非相干孪晶界迁移。非相干孪晶界迁移涉及晶体材料的变形、断裂和晶粒生长等现象。晶界（GB），作为多晶材料中的一种平面缺陷，已知会影响材料性能。例如，在纳米结构金属和超硬材料中，包括孪晶界的高密度晶界可以强烈地阻碍位错运动，从而显著地促进强化和硬化。根据热力学条件和加工已有研究，晶界可以采用具有不同边界特性，如扩散率、流动性和内聚强度。在热或机械刺激下，不同的晶界配置可能会发生类似相变，导致微观结构演变（异常晶粒生长和稳定的纳米晶合金）和材料性能（液态金属脆化）的突发变化。

二、【成果掠影】

晶界（GB），其结构和结构转变的多样性，在多晶材料的性能中起着至关重要的作用。作为一个独特的GB子集，{112}非相干孪晶界（ITB）在纳米孪晶面心立方材料中普遍存在。尽管已经阐明了多种ITB构型和转变，但它们的转变机制和对机械性能的影响在很大程度上仍未被探索，特别是在共价材料方面。在这里，我们报告了六个非相干孪晶界配置和金刚石在室温下的结构转变的原子观测，显示了不同于金属位错介导的机制。占主导地位的非相干孪晶界是不对称的，移动的较少，对纳米孪晶金刚石的连续硬化有很大的贡献。同时，也对非相干孪晶界活动的潜在驱动力进行了讨论。燕山大学的田永君院士团队在金刚石结构转变与非相干孪晶界迁移方面进行了一系列的研究工作。通过实验和模拟方法，探索了金刚石结构转变和非相干孪晶界迁移的机理和规律。其研究成果在材料科学领域具有重要的学术和应用价值，并为相关领域的研究提供了理论和实验基础。研究结果揭示了金刚石和共价材料的晶界行为，指出了开发高性能纳米孪晶材料的新策略。该成果以标题为：“Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond”发表在2024年Nature上。

三、【核心创新点】

  1. 金刚石样品晶粒尺寸小于100nm，存在着和{112}非相干孪晶界(ITB)和{111}相干孪晶界(CTB)构型;
  2. 为了验证构型多样性，使用进化算法对金刚石{112}非相干孪晶界(ITB)进行了结构搜索，并使用第一性原理进行能量计算。

四、【数据概览】

图1. 在nt-金刚石中{112} ITB的多种构型共存。©2023 Nature Catalysis

图2. 原子分辨率下ITB跃迁的原位观察。©2023 Nature Catalysis

图3. 与配置相关的 ITB 迁移。©2023 Nature Catalysis

图4. ITB活动压力驱动机制的证据。©2023 Nature Catalysis

五、【成果启示】

综上所述，在室温下观察到的金刚石非相干孪晶界(ITB)活性与金属或离子材料中的非相干孪晶界(ITB)活性明显不同，证明了化学键的关键作用。此外，对能量耗散特性的分析表明，非相干孪晶界(ITB)转变对nt-金刚石增韧有重大贡献。观察到的位错介导的晶界(GB)活性也可能发生在其他共价材料中，为高性能共价材料的微观结构工程提供了积极的指导意义。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06908-6

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