金属顶刊《Acta Materialia》原子分辨率实时观测共格孪晶界迁移过程！
材料学网
导读：本文报告了在CTB （共格孪晶界）/ ITB（非共格孪晶界）和CTB（共格孪晶界） /表面结处的两种不同的孪生边界缺陷（TD）成核和CTB迁移模式。发现这种CTB迁移与从N端向Cr端交替的边界结构，Cr和N原子各自的运动相关，即异步CTB迁移过程。揭示了二元系统中缺陷成核和CTB迁移的原子级动态过程，这为复杂材料中原子级变形机制提供了新的见识。
众所周知，大多数晶体结构并不具有简单的几何排列，这决定了它们更为复杂的变形机制。对于复杂的材料变形，Kronberg在1957年提出了同步滑移和孪生变形机制，即两个剪切在相邻的原子面 上以相反的方向工作。由于复杂材料表征困难，多年来一直没有现场实验证据支持这种变形机制
氮化铬(CrN)是一种结构复杂的过渡金属氮化物(TMN)，金属原子和N原子形成FCC亚晶格。作为TMN的一种，它具有高硬度、高温稳定性、耐腐蚀、抗氧化、耐磨等特点，被广泛应用于机床、医疗植入、航空航天工程等工业领域。然而，由于TMN陶瓷的延性和韧性差，其应用往往受到限制。为了进一步提高TMNs的力学性能，晶界工程是一种有效的解决方案
在此，奥地利科学技术研究所 报道了一种新的二元CrN中TD形核和CTB迁移模式。观察到的CTB迁移与边界结构由N端向Cr端交替变化有关。更重要的是，我们的原位实验和DFT仿真结果证实了CTB迁移和TD滑移是一个异步过程。这些结果有助于我们理解复杂材料中晶界迁移和缺陷运动的动态过程。相关研究成果以题“Real-time atomic-resolution observation of coherent twin boundary migration in CrN”发表在金属顶刊Acta Materialia上
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116732
CTB/ITB结的孪晶界缺陷释放具有1/6a[112] 伯氏矢量。此外，CTB从CTB/ITB交界处的迁移不涉及边界结构的交替。孪晶界缺陷也可能在CTB/表面结处成核，但其结构几乎不表现出伯氏矢量。CTB迁移涉及到边界结构由N端向Cr端交替变化。TEM观察和DFT计算都证实了Cr端CTB具有高能量，因此是亚稳定的。
图1 (a)在基底附近拍摄的CrN柱状晶组成的亮场图像。(b)具有∑3{1 1 2}非共格孪晶界的CrN柱状晶的典型HRTEM图像。(c)远离基体约100 nm处CrN柱状晶的亮场图像。(d)具有∑3{1 1 1}共格孪晶界的Cr柱状晶的典型HRTEM图像。
图2所示。(a) HRTEM观察到未辐照(正常照明模式)的rs-CrN ∑3{111) CTB，和一个典型的∑3{112}ITB。在In∑3(111) CTB中，可以观察到一些具有一定高度的阶梯结构，(b) HRTEM实验(图2a放大图)、N端CTB的仿真图像和原子模型。
图3所示。(a)-(f) CTB从CTB/TTB交界处迁移的一系列HRTEM图像。(b)、(d)和(f)分别为11s、20s和29s孪晶缺陷区域的放大图像。
CTB迁移和TD运动受局部应力驱动，这是由光束照射引起的。在正常光束照射下，内应力或外载荷也可触发CTB由N端向Cr端转变。 高强度HRTEM观察表明，Cr和N原子各自的运动是同步的。
图4所示。(a)和(b) HRTEM图像(辐照前和辐照后)显示了孪生缺陷成核和CTB从CTB/表面区域迁移。(c) HRTEM实验(图4b的剪辑)、Cr端CTB的模拟图像和原子模型。(c)的图像模拟在以下条件下进行:Cs=0，离焦=-9.9 nm，接近实验条件，试样厚度为3.1纳米。(d)和(e)两色图案分别显示了来自CTB/ITB结和CTB/表面结的Burgers矢量环。图4 (d)和(e)中的黑线和绿线分别表示n端和cr端CTB结构
图5所示。(a)和(b) HRTEM图像显示CTB的结构从N端CTB到Cr端CTB。白色标签为N端结构的CTB，绿色标签为Cr端结构的CTB。(c) HRTEM图像显示已经创建的cr终止的CTB在终止照射10分钟后部分逆转为N终止的CTB。
图6所示。(a)一系列HRTEM图像显示了CTB从CTB/表面结的迁移过程(电影S2的快照)，其中标记的原子代表了在Cr终止的CTB中的新的迁移位置(从1到6h原子)。
图8。(a)-(f)一系列HRTEM图像 说明了CTB/表面结原子的运动，虚线圈代表了4个Cr原子的位置，红色代表了两种Cr与平衡位置偏差较大的情况。(g)薄膜S4中CTB/surface位置的Cr-Cr原子间距(d’in a)随辐照时间的变化。(b)指定Cr原子在CTB/表面结跳跃的示意图模型(跳跃方向用红色箭头表示，比例尺为(A -f) 0.25 nm。
图9所示。(a)视频S2 (t-16 s, CTB迁移前1秒)的快照。白色框架(标记为pl和p2位置)用于GPA测量。(b)和(c)不同辐照时间(辐照前和t-16s)的GPA结果(d)表面/CTB交界处的线轮廓(沿着(c)中的线。比例尺:(a) 1 nm。
图10.(a)在CTB迁移 之前，测量到的晶格平面角(或剪切应变)随辐射时间的变化(b) HRTEM(电影s3 t=1s的快照)和近乎完美的N端CTB示意图。(c) HRTEM