Nat. Commun.：原位力电样品杆研究晶界迁移机制
日期：2019-01-16
近日，浙江大学张泽院士、王江伟研究员团队在《Nat. Commun.》上发表了题为《In situ atomistic observation of disconnection-mediated grain boundary migration》的研究成果(NAT.COMMUN.|(2019)10:156)。研究者们在透射电镜中利用PicoFemto®原位力学-电学样品杆巧妙地设计实验，成功原位制备并测量了多种金属纳米结构。该研究成果为建立完整的晶界变形理论提供有力的实验依据，进而也为改善材料的力学性能提供了新思路。
深入研究晶界迁移机制对于调控材料的力学性能具有重要意义。作为一种常见的塑性变形行为，晶界迁移现象受到了广泛报道和关注。其中，disconnection晶界迁移机制关注的是切应力作用下的晶界迁移现象，这一理论模型受到广泛关注并且在分子动力学模拟中得到了证实和完善。然而，如果想要进一步对材料塑性变形过程中晶界机制有更加系统的认识和深入的理解，就一定做到实时观测应力作用下晶界处原子结构的动态演变过程。
本文结合先进的原位电镜技术和分子动力学模拟，从原子尺度揭示了剪切应力作用下不同结构的晶界通过disconnection形核、滑移和交互作用实现往复迁移的普适机制。进一步研究发现，纳米晶材料中的三叉晶界可以作为disconnection形核的有效位置，促进晶界迁移，并且其它晶界缺陷（如位错）对该迁移不产生明显的钉扎作用，显著提高了材料的塑性变形能力。
PicoFemto®原位力学-电学样品杆与球差电镜、高速相机结合，高质量地制备出多种包含不同类型晶界的金属纳米结构；在实现了稳定的原位剪切加载的基础上，借助高速相机实时捕捉变形过程中晶界结构的动态演变过程，该方法可有效制备各种不同类型的晶界，从而为晶界变形行为的研究提供了一种有效的手段。即使在球差电镜中，PicoFemto®原位力学-电学样品杆也保持了原子级稳定性，从而使照片保证了球差电镜原有分辨率。该产品拥有世面上同类产品中卓群的操纵范围（XY—2.5 mm，Z—1.5 mm，9个数量级）、高的操纵精度（XY—0.4 nm，Z—0.04 nm）以及高的稳定性（无抖动，保证电镜原有分辨率）。实验中无论粗调、细调都是全软件操作，界面友好，易用性强。
图1 原子尺度观察Σ11(113)晶界上两种不同类型disconnection滑移导致的晶界迁移现象，并在分子动力学模拟中得到验证
图2 Σ11(113)晶界在循环加载过程中通过disconnection机制实现往复迁移
图3 Disconnection在复杂晶界结构塑性变形中的三叉晶界形核机制
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作者：小攸