悉尼大学《Nature Materials》:利用三维原子探针量化短程有序

一、【研究背景】

中/高熵合金（M/HEAs）是一类新兴的合金材料。近年来，因其在潜在工程应用中展现出卓越的强度和延展性组合而备受关注。计算模拟和近期的多个实验证据均表明这些合金中存在短程有序（SRO）现象。然而，由于在不同状态下SRO的不同，及量化各原子对SRO的困难，引发了诸多关于SRO对材料性能尤其是机械性能影响的争议。

二、【创新成果】

7月2日，悉尼大学副校长Simon Ringer教授团队，何孟伟博士等利用三维原子探针（APT）揭示了中熵合金SRO在不同热处理状态下的奥秘，文章题为“Quantifying short-range order using atom probe tomography”, 发表在Nature Materials中（https://www.nature.com/articles/s41563-024-01912-1） 。

本文提出了一种利用APT测量SRO的新方法。该方法在平衡APT的局限性与SRO阈值的基础上，绘制了保存原子近邻信息的区域与信息缺失的区域。研究以标志性的CoCrNi中熵合金为例，对该方法进行应用并展示了该合金在不同热处理条件下SRO的变化。此外，文章还利用了多种已发表的观测SRO的方法（如透射电子显微镜及其他APT方法）进行交叉验证，并对APT中可能影响SRO测量的因素进行了全面的分析。

合金中的SRO通常是指晶体中原子的三维有序排列或偏好性，它也被看作是材料中的“DNA”。不同的局部原子排列可能会显著影响材料的电子、磁性、机械、光学和其他性能。该研究对理解材料中局部原子环境及从原子层面上调控和设计新型材料有着重要意义。

三、【数据概览】

图 1. 三维原子探针（APT）和原子偏好行为的示意图。©Springer Nature

图2 模拟APT探测器效率和空间分辨率对于SRO的影响及判断实验仪器探测极限与SRO的阈值。©Springer Nature

图3. 重构后的三维原子拓扑图和APT的分辨率评估。©Springer Nature

图4. 基于APT的重建算法(Reconstitution)的建立与应用。©Springer Nature

图5.不同热处理状态下CoCrNi样品的SRO对比。©Springer Nature

图6.不同热处理状态下CoCrNi样品的TEM能量过滤衍射图和对应衍射强度分析。©Springer Nature

四、【总结展望】

该研究提供了一整套利用APT+重建算法对于不同热处理状态下CoCrNi合金短程有序的量化方法。通过该方法，实验所得的真实三维原子结果可与计算模拟及其他实验方法进行联动，并进一步扩展到理解和设计中高熵合金及其他可能存在SRO的材料系统。

原文详情：‘Quantifying short-range order using atom probe tomography’, is published in Nature Materials (DOI:https://www.nature.com/articles/s41563-024-01912-1).

本文由YZ供稿