【TEM】Science：透射电镜，如何研究晶界？

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特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨苯乙烯硅氢（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

电镜表征交流QQ群：958434694

晶界在多晶材料的力学行为中起着重要作用，然而晶界变形的原子尺度动力学过程仍然未研究清楚，特别是对于多晶中的晶界，它们通常是不对称的并且类型也更常见。本工作进行了一项原位原子分辨率研究，以揭示铂双晶中滑移主导的变形是如何在普遍倾斜的晶界中发生的。本工作观察到在原子尺度上沿着晶界直接发生的滑移，或者原子穿过边界平面的滑移。后一个滑移过程是由断裂移动造成的，断裂移动使晶界原子能够传输，从而导致以前未被发现的由晶界滑移和原子平面转移相耦合的模式。这些结果有助于在原子尺度上理解一般晶界在多晶材料中的滑移方式。总的来说，这项工作展示了利用原位原子分辨率透射电镜实验来理解多晶材料中界面主导的变形和失效机制的巨大潜力，并为实验和原子建模之间的高分辨率结合提供了新的机会。

透射电镜

如何表征晶界滑移

图1.铂双晶中非对称倾斜晶面的原子尺度的滑移。（A-H）一系列像差校正透射电镜图像显示非对称倾斜带20.1°位错的滑移。左侧和右侧颗粒分别标记为GL和GR。（I）图（A）中绿色方框区域的放大电镜图像。边界的一侧是晶粒GR的密集{111}面（用红色虚线标记），另一侧由晶粒GL面上的一系列原子级台阶（用绿色虚线标记）组成。（J）对一个具有代表性的晶界Lomer锁进行的Burgers循环分析给出了½{001}的Burgers向量（红色箭头）

图1是从多晶（取自FCC构型的Pt）中提取的双晶，薄膜双晶几何结构允许大规模晶界滑移，而不受多晶中存在的三重连接的限制，从而有助于在大滑移距离上逐步监测晶界滑移过程。我们展示了一系列按时间顺序拍摄的原位像差校正透射电镜图像（图1），它提供了一个代表性的例子，即相邻晶粒之间的非对称倾斜晶界以20.1°的错向角滑移约19Å。一段初始晶界的放大透射电镜图像显示，左侧（GL）和右侧（GR）晶粒与区域轴对齐，其中白点代表原子柱的投影。一般的大角度倾斜晶界在原子尺度上很少是平坦的。通常出现的不对称晶界倾向于形成具有原子大小台阶的原子尺度面（在晶界平面的一侧或两侧）。对于所研究的晶界段（图1I），边界的一侧在晶粒GR的表面上显示平坦、紧密排列的{111}面，而另一侧在晶粒GL的表面上出现原子级波纹，这反映了该晶粒表面是晶粒GL的高指数{331}面这一事实。这种波纹可以描述为单个原子层高度的台阶，由三到四个原子宽的{111}面隔开。根据位于晶界处的两组½{111}晶格位错表征了晶界的结构（图1I），这两组位错用于调节相邻晶粒GL和GR之间穿过不对称倾斜晶界的晶格错向。我们在半平面的末端将每个位错标记为“⊥”。这些位错通常结合在一起形成晶界Lomer锁，每个锁都有一个五元单元（标记为五边形）的特征核心结构。对一个具有代表性的晶界Lomer锁（图1J）进行的Burgers循环分析显示，其Burgers向量为½{001}。在晶界滑移期间，每个Lomer锁调整其位置和结构，经常暂时分离成两个单独的½{111}位错，随后重新组合成Lomer锁。晶界Lomer锁的五边形核心单元中的大型开放空间有助于原子柱在晶界平面上的传输。

图2.在不对称的倾斜晶界上的原子级滑移。（A-D）在0、2.5、6.0和9.0秒时放大的透射电镜图像（对应于图1A中的绿色方框区域），显示沿边界平面的直接滑移以及原子柱转移穿过边界平面的滑移，从而导致耦合的晶界滑移和原子平面转移。在（A）中的0s时，GL面上的原子列用绿色小写字母标记，GR面上的原子列用红色大写字母标记。晶粒GL表面上的两个{331}层用红色虚线表示，它们与GR表面上紧密堆积的{111}层接触。在9 s（图（D））时，从GL表面移除两个{331}层；将组成原子柱转移到GR表面的第一{111}层中，使其与其中的原子柱混合。

为了阐明原子尺度晶界滑移的性质，我们展示了晶界区域（图1A）的高倍率透射电镜图像（图2）。在这些图像中，GR中的平面内原子行通过数字进行索引，以便于跟踪GR中的原子行和GL中的原子行之间因其大滑移位移而在晶界范围内对齐的变化。图像比较揭示了一系列纯滑移事件。在晶界滑移之前（图2A），GR的紧密堆积{111}面平行于晶界平面，并与GL的阶梯{331}面接触；前者由标记为大写字母A到M的原子列组成，后者由标记为小写字母A到O的原子列组成。

在0秒时，GL表面上的阶梯角原子柱i位于相对于GR表面上的原子柱J和K的桥位（图2A）。在2.5秒时，颗粒GL滑移，使原子柱i转移到相邻的桥位（在柱i和J之间，图2B）。原子列i附近的其他原子列（小写字母）也以类似于刚体平移的方式滑移。滑移的相干性也可以通过聚焦于桥位处的另一个阶梯角原子柱g（相对于0 s处的柱H和I）发现，该阶梯角原子柱g在2.5s时转化为桥位（相对于0 s处的柱F和g）。总体而言，GL表面上的原子柱相对于GR表面上的原子柱以刚体运动滑移，而无需重新排列GL和GR表面的原子结构。在没有晶界迁移的情况下，这个过程是纯的（或直接的）晶界滑移。在这个过程中，五边形晶界Lomer锁的核心单元调整了它们的位置和形状，相邻晶粒GL和GR之间的错向没有明显变化。这种纯滑移是通过沿边界面滑移的断裂来调节的。

除了纯晶界滑移外，本工作还观察到一种以前未曾发现的模式，即超过2.5s的耦合晶界滑移和原子平面转移。这种晶界变形的特点是晶界一侧晶粒GL表面上{331}层的数量发生变化，这是由于{331}层的组成原子柱转移到晶界另一侧晶粒GR表面的第一{111}层，以及转移原子柱沿边界面的转移。具体而言，比较0秒（图2A）时的晶界原子柱（晶粒GL和GR上的大写和小写字母）和6.0秒和9.0秒时的晶界原子柱（晶粒GR上的大写和小写字母混合）（图2、C和D），可以看出原子柱的转移主要发生在晶粒GL到GR之间。聚焦于0s处的晶界段（图2A），其中晶粒GL的表面由第一层原子列g、i和l以及第二层原子列f、h和k组成，我们看到这两个原子层是紧密间隔的{331}平面（用红色虚线表示）。在6.0和9.0秒（图2、C和D）时，两个{331}层中的组成原子柱穿过边界面转移，并插入晶粒GR表面的第一个{111}层。图2D中的大小写字母混合显示了这一过程。相应地，在0秒出现在GL表面上的两个{331}层在9秒时被移除，从而减少平行于晶界平面的晶格平面的数量，并导致晶粒GL向晶界平面的两个{331}层间距的法向位移。这种耦合的晶界滑移和原子平面转移与以往实验和模拟中普遍研究的晶界滑移变形形成了对比，在这些实验和模拟中，平行于晶界平面的晶格平面的数量是守恒的。

参考文献：

Lihua Wang et al. Tracking the sliding of grain boundaries at the atomic scale. Science. 2022.

DOI: 10.1126/science.abm2612

https:// www.science.org/doi/10.1126/science.abm2612

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