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金屬所等五重孿晶形成機理研究取得進展

2020-01-07 金屬研究所
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  近日,中國科學院金屬研究所钛合金研究部助理研究员周刚(共同一作)、副研究员王皞与美国太平洋西北國家實驗室教授Li Dongsheng(通讯作者)、博士宋淼(共同一作)以及密歇根大学博士鲁宁(共同一作)等人合作,采用高分辨原位透射电镜和分子动力学模拟方法,在原子尺度揭示了两种五重孪晶的形成机理。相关研究成果于2020年1月3日在《科学》(Science)在線發表。

  作爲一種重要的孿晶結構,五重孿晶在晶體生長、生物醫學、光學和催化等領域均有著廣泛的應用。比如,五重孿晶結構所引入的晶格畸變可以增加納米線的楊氏模量;五重孿晶銅納米線在還原CO2制备甲醇的过程中表现出优异的催化性能等。尽管自G. Rose于1831年在金中发现五重孪晶以来,科研人员已在近百种材料中发现了五重孪晶结构并开展了大量的基础和应用研究,但由于无法在原子尺度直接观察形成过程,其形成机理至今仍无定论。

  此次研究人员发现,在~3nm Au、Pt和Pd纳米颗粒的聚集生长过程中,纳米颗粒可以通过颗粒间的取向粘附(Orientation attachment,OA)形成起始的两个孪晶界面,然后经原子表面扩散和高能晶界形成及分解(机理1)或不全位错的滑移(机理2)形成五重孪晶结构。两种形成机理主要取决于颗粒取向粘附后所形成的表面结构。如果经取向粘附后,形成的凹面夹角接近90°,则为机理1;如果形成的凹面夹角接近150°,则为机理2,其具体的形成过程如下:

  機理1:通過取向粘附、原子表面擴散以及隨後的高能晶界的形成和分解。首先,經顆粒取向粘附過程形成起始的兩個Σ3孿晶界面以及一個~90°凹面;這種較大曲率的凹面將促使表面原子擴散到該處進而形成第三個Σ3孿晶界和Σ27高能晶界;最終通過孿晶極附近零應變孿晶的形核及生長,Σ27分解成另外兩個Σ3孿晶界並形成五重孿晶結構。該機理可形成較爲對稱的五重孿晶結構。

  機理2:通過取向粘附和不全位錯的滑移或晶界分解。當取向粘附過程形成的凹面夾角爲~150°時,通過在表層原子中不全位錯的滑移或Σ9晶界的分解即可實現五重孿晶的形成。不全位錯的繼續滑移可促使孿晶界面向晶粒內部遷移,但也伴隨著晶格應變能增大,因此該機理主要形成不對稱的五重孿晶結構。在後續的生長過程中,五重孿晶對稱性的演化可通過與其他納米顆粒的聚集長大實現。

  論文链接

图1. 五重孪晶形成机理1:通过取向粘附、原子表面扩散以及随后的高能晶界的形成和分解(零应变孪晶成核和生长)

图2. Σ27分解为Σ34和Σ35

图3. 五重孪晶形成机理2:通过取向粘附和不全位错的滑移或晶界分解

打印 責任編輯:葉瑞優

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