燕山大学的田永君院士与Bo Xu、Wentao Hu合作，在室温下对金刚石中的六种ITB配置和结构转变进行了原子级观察。研究揭示了与金属系统不同的位错介导机制，特别是主要的ITB呈不对称形态且移动性较差，对纳米孪晶金刚石的持续硬化起到了重要作用。研究还探讨了驱动ITB活动的潜在机制。这一研究成果于1月3日在《Nature》期刊上发表，题为“Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond”，为理解金刚石和共价材料中晶界行为提供了新的见解，并指明了开发高性能纳米孪晶材料的新策略。
晶界（GB）在定制多晶材料性质方面发挥关键作用，尤其是在纳米结构中。在纳米晶体面心立方材料中，{112}非共格孪晶边界（ITB）广泛存在，作为晶界的一个独特子集。尽管已有多种ITB结构和转变的报道，但对于其转变机制以及在共价材料中对机械性能的影响尚未深入研究。
纳米孪晶化被认为是提高材料强度和韧性的有效手段。在面心立方结构材料中，形成大量共格孪晶界的同时，不同取向孪晶之间通常伴随着Σ3{112} ITB的形成。在金属中，这种ITB界面的迁移距离较长，其迁移速度在纳米尺度随着孪晶厚度的减小而急剧增加，导致材料发生去孪晶化的过程。
然而，纳米孪晶立方氮化硼和纳米孪晶金刚石在纳米尺度上持续硬化，与金属材料不同。这提示了共价材料中Σ3{112} ITB的稳定性明显高于金属材料。深入研究这种高稳定性的物理起源对于理解纳米孪晶金刚石的持续硬化机制，以及为开发高性能纳米结构材料提供科学指导具有重要意义。
本研究利用球差校正扫描透射电子显微镜系统，对纳米孪晶金刚石中Σ3{112} ITB的界面结构进行了详尽的研究。通过借助电子辐照荷电效应引起的机械应力，成功在室温下实时记录了ITB界面的结构演变和迁移过程。实验结果显示，纳米孪晶金刚石中Σ3{112} ITB呈现出六种构型，其中三种是镜面对称的，而另外三种则是非镜面对称的。镜面对称构型表现出类似于金属材料的长距离快速迁移能力，而非镜面对称构型则通过剪切耦合模式进行短距离迁移。
在受到应力的影响下，虽然不同构型的ITB能够通过位错介导机制相互转变，但非对称构型与对称构型之间的转变存在较高的势垒。纳米孪晶金刚石中Σ3{112} ITB主要以低能量、低迁移率的非对称构型存在，甚至在孪晶厚度降至约1纳米时依然如此，从而导致了纳米孪晶金刚石表现出持续硬化的特性。通过结合旋进电子衍射和分子动力学模拟的结果，研究人员发现界面结构转变所需的激活应力接近于金刚石中全位错启动所需的临界剪切应力，揭示了纳米孪晶金刚石中Σ3{112} ITB高稳定性结构的物理机制。
这项研究深入剖析了晶界构型、相变和迁移与材料化学键类型之间的关系，为我们更深层次理解纳米孪晶金刚石持续硬化行为提供了重要见解。
图1 | 在nt-金刚石中{112} ITB的多种构型共存。
图2 | 原子分辨率下ITB跃迁的原位观测。
图3 | 与构型相关的ITB的迁移。
图4 | 1TB活动的压力驱动机制的证据。
总的来说，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ITB活性有明显区别，突显了化学键在这一过程中的关键作用。此外，通过对能量耗散特性的分析发现，ITB转变对nt-金刚石的增韧起到了重要作用。这不仅强调了化学键在晶界活性中的关键性，还为高性能共价材料的微观结构工程提供了有益的指导意义。此外，观察到的位错介导的晶界（GB）活性也可能在其他共价材料中发生，为未来高性能共价材料的设计提供了积极的参考。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06908-6
