电镜大牛潘晓晴教授，今日再发Science！
学术
2024-10-04 07:35
广东
在纳米晶材料的晶粒生长、再结晶和塑性变形过程中，通常可以观察到近刚体的晶粒旋转。尽管经过了几十年的研究，晶粒旋转的主要机制仍然是个谜。在此，加州大学欧文分校潘晓晴教授，香港大学David
J. Srolovitz教授和香港城市大学韩健教授等人提出了直接的证据，表明晶粒旋转在铂（Pt）薄膜中是通过沿晶界的断开（具有阶梯和位错特征的线缺陷）运动而发生的。同时，利用最先进的原位四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）观察揭示了晶粒旋转和晶粒生长或收缩之间的统计相关性。这种相关性来自于剪切耦合的晶界迁移，这是通过断开运动发生的，通过原位高角环形暗场STEM观测和原子模拟辅助分析来证明。这些发现为纳米晶材料的结构动力学提供了定量的见解。相关文章以“Grain
rotation mechanisms in nanocrystalline materials: Multiscale observations in Pt
thin films”为题发表在Science上。多晶材料是具有不同晶格取向的微晶的聚集体。在微观结构演化过程中，微晶（即晶粒）经历近刚体旋转。在多晶材料中，尤其是纳米晶材料中，在再结晶、塑性变形和晶粒生长过程中，已广泛观察到这种晶粒旋转。晶粒旋转极大地影响微观结构演变（例如改变晶粒生长动力学）并控制织构演变。近刚体晶粒旋转已经根据各种晶界（GB）介导的过程进行了描述，例如GB位错爬升、GB 扩散、GB滑动、盘状偶极子动力学和剪切耦合GB迁移。虽然每种机制都可能在某些受限情况下发生，但哪种GB工艺最常主导刚体晶粒旋转仍然存在争议，特别是对于具有高角度GB的晶粒。由小角度GB分隔的晶粒旋转可以用GB位错爬升来描述。 此描述不适用于GB位错未明确定义的更常见的非特殊高角度GB。在GB扩散模型中，长距离质量传递是速率限制的，因此不适用于室温下广泛观察到的金属中的快速晶粒旋转。虽然GB滑动可能发生在双晶中，但多晶中的三重结（TJ）严重限制了滑动。剪切耦合GB迁移可能能够解释涉及大角度GB的晶粒旋转。剪切耦合GB迁移的机制是断开在GB上的成核和传播（断开是具有阶跃和位错特性的GB线缺陷）。然而，没有实验证据支持断开运动与晶粒旋转之间的相关性，尽管现象学理论已经表明刚性体晶粒旋转的可能性是通过断开运动。为了揭示晶粒旋转的主要机制，应在多晶样品的原子尺度和统计水平上建立断开活性与晶粒旋转之间的定量相关性。作者通过多尺度原位扫描透射电子显微镜（STEM）方法展示了毛细管诱导的晶粒生长过程中断开介导的晶粒旋转的原子尺度和统计实验证据。同时，进行了原子尺度成像，以使用原位高分辨率高角度环形暗场STEM（HAADF-STEM）定量地将每个GB迁移与退火过程中的断开运动相关联。然后，进行了微观结构尺度的观察，以使用最先进的原位四维 STEM （4D-STEM）技术验证晶粒生长或收缩之间的相关性，进行了原子模拟以协助解释实验观察结果。本文的结果不仅为多晶中近刚体晶粒旋转提供了定量见解，还展示了多尺度原位TEM在解决关于原位TEM研究对原子尺度机制的代表性的争论方面的巨大潜力。图2：同时进行的断开运动和晶粒旋转的原子尺度观察。在本文的研究中，作者通过思考退火中哪个微观机制是近刚体晶粒旋转的基础的问题。基于实验观察，可以看到由于晶粒内部没有发生滑移，并且所有GBs都是高角度的，因此可以忽略所有基于晶体内部位错运动的解释。虽然观察到GB扩散、滑动等，并且可能有助于晶粒选择，但这些不是定量的机理描述。断开描述类似于用位错运动来描述晶体的塑性变形，而不是简单地将其描述为原子重排。当然，任何位错活动都必须涉及原子重排。本文的工作进一步证明了在纳米晶材料中近刚体晶粒旋转（一种GB介导的过程）中断开活性的主导地位。值得注意的是，外部应力晶粒选择驱动的已在文献中广泛报道。相比之下，本文在无压力、毛细管驱动的晶粒生长的背景下研究了晶粒选择。虽然预计应力可以直接驱动断开运动和晶粒旋转，但毛细作用只有在发生剪切耦合时才能诱导晶粒旋转。此外，虽然本研究侧重于单元素系统，但预计所报道的晶粒旋转机制适用于合金，为新材料的设计和开发提供见解，例如，成分复杂的材料或高熵合金。Yuan Tian, Xiaoguo
Gong, Mingjie Xu, Caihao Qiu, Ying Han, Yutong Bi, Leonardo Velasco Estrada,
Evgeniy Boltynjuk, Horst Hahn, Jian Han*, David J. Srolovitz*, Xiaoqing Pan*, Grain
rotation mechanisms in nanocrystalline materials: Multiscale observations in Pt
thin films, Science,https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk6384🌟 同步辐射，找华算 ！三代光源，全球机时，最快一周出结果，保质保量！👉全面开放项目：同步辐射硬线/软线/高能/液体/原位/SAXS/GIWAXS/PDF/XRD/数据拟合！🏅 500+博士团队护航，助力20000+研究在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
微算云平台
做计算 找华算！电话：13129551561
