《Nature Materials》重磅：刷新认识！直接观察到晶界原子迁移

编辑推荐：晶界是多晶材料中非常重要的微观结构，但是晶界是如何迁移的还不明确。本文通过独特的实验设计实现了对晶界原子迁移过程的直接观察。研究发现的晶界结构转变将刷新人们对晶界性质的基本认识。

晶界迁移在改变多晶材料的微观结构和相关性能方面起着重要作用，它是由原子从一个晶界迁移到另一个晶界的原子机制所决定的。尽管这种原子机制已有众多深入的研究，但在实验上仍不清楚晶界迁移是如何在原子尺度上进行的。

近日，来自日本东京大学等单位研究者，利用高能电子束辐照原子分辨率扫描透射电子显微镜，可控地触发了晶界在α-Al2O3中的迁移，并将原子迁移过程直观地呈现为定格影片。如需观看此视频请关注抖音账号：材料科学网。相关论文以题为“Direct imaging of atomistic grain boundary migration”发表在Nature Materials上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-020-00879-z

陶瓷和金属，主要以多晶形式来使用，多晶是由大量单晶组成的，称为晶粒，它们之间的界面称为晶界(GBs)。这些材料的宏观性能，如机械强度、抗辐射损伤性能、热电阻率和电阻率等，主要由微观组织决定，即晶粒尺寸和晶界密度。为了控制微观结构的演变，通常使用外部刺激，如热、应力或辐照，来激发系统到能量增加的状态。从这个状态上来看，材料经过退火，发生晶界迁移，使其显微组织改变为具有预期性能的结构。一般来说，大部分固态组织转变，如晶粒长大、再结晶和相变，最终由晶界迁移控制。在原子尺度上，晶界迁移是由原子机制决定的。这就是原子从一个晶粒转移到另一个晶粒的方式，这与原子晶界结构的重排高度相关。

虽然许多研究，都致力于分析原子态晶界的迁移机制，但大多数研究都是基于理论方法。原子分辨率电子显微镜的最新发展提供了一个契机，可直接可视化原子晶界迁移。然而，在实验中，追踪单个原子或列的运动，以及在迁移过程中相关的晶界结构演变仍然具有挑战性。虽然扫描透射电子显微镜(STEM)有很强的能力，能够直接成像晶界的静态原子结构，但较差的时间分辨率限制了对晶界迁移的动态观察。同时，高分辨率透射电子显微镜(TEM)的时间分辨率，至少要提高一到两个数量级(10-100 ms)，复杂晶界的结构细节以及它们在迁移过程中的演变，仍然非常难以在原子水平上完全确定。

此外，在以前的高分辨率TEM观测中，电子束直接均匀地照射在晶粒和晶界上。在这样的条件下，由于晶界结构变化是由光束照射晶界直接引起的，很难研究晶界的内在迁移机制。因此，需要一种新的策略，在不需要任何光束照射情况下，来观察原子迁移。