Science Advance：辐照诱发晶界小刻面运动:原位观测和原子尺度机制

虚谷纳物 2年前 (2022-08-26) 2888浏览

一、导读

建立支撑辐射环境中微结构退化的机制是材料科学的基本挑战。了解这些机制，特别是辐照诱导的位移损伤和界面动力学之间的相互作用非常重要，因为它可以为预测或提高材料的辐射耐受性提供策略。许多研究表明，当界面间距在几纳米时，界面能够充当缺陷陷阱并减轻辐射损伤。一系列纳米晶金属与粗晶材料相比，辐射耐受性明显改善。在这些改进的地方，通常与界面密度的增加和高点缺陷簇的陷阱效率有关。这种界面介导机制的有效性与晶界特征、缺陷团簇的具体类型以及辐照种类、辐射通量和污染水平等因素密切相关。辐照也可以加速晶粒粗化，与热粗化一样，辐照粗化通常被认为是一个曲率驱动的过程，晶粒在线涨力的作用下粗化，以降低总界面自由能。辐照可以增加界面的流动性，使GB运动在整体温度下发生，远低于粗化的热起始温度。通过解释碰撞级联或相关离子引起的热事件如何增加跨界面的原子跃迁率，可以模拟晶界的移动。尽管晶粒粗化及其与辐照增强迁移率之间的关系已为人们所熟知，但这些过程是如何在原子尺度上与晶界的局部原子结构相协调尚不清楚。本文则提供了在原子尺度的解释。

二、成果掠影

近日，来自美国桑迪亚国家实验室的Christopher M. Barr和Douglas L. Medlin研究员结合原位重离子辐照、原子分辨显微镜和分子动力学模拟来阐明辐射损伤和界面缺陷如何相互作用来控制晶界(GB)运动。虽然辐照下晶界演化的经典概念基于曲率驱动，但现实远比这复杂得多。聚焦于离子辐照Pt的Σ3 GB，本工作展示了该晶界如何通过分离纳米级{112}晶面族120°刻面连接的运动演变过程。研究表明：短距和中距离子相互作用使刻面粗化并诱发局部运动并和长距离子相互作用，使得界面断开以适应晶间取向差的重新排布。局部和长周期的集体相互作用对理解辐照诱导的界面演化是重要的。揭示了从原子尺度展示了这些断开的攀移如何驱动关联刻面连接的协调运动。相关成果以“Irradiation-induced grain boundary facet motion: In situ observations and atomic-scale mechanisms”为题发表在国际著名期刊Science Advance期刊上。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn0900

三、核心创新点

从原子尺寸，首次动态的揭示了金属界面在离子辐照过程中的运动规律，为组织的调控提供了很好的理解与策略。

四、数据概览

图1 所分析的GB及其周围环境；(A)自动晶体取向图显示感兴趣界面附近的晶粒方向。晶界将图 (B)中心标记为A和B的两个指示晶粒分开，并终止于三联点[在(C)标记为TJ]。晶界在Σ3{112}的界面上以120°相交。(D)高角度环形暗场扫描透射电子显微镜图像显示原子分辨率结构。(E)理想界面和链接结构的原子模型[嵌入原子法(EAM)]。原子分辨率图像的快速傅里叶变换分析[插入(D)]表明，晶粒从精确的Σ3方向旋转了3.2°。

图2 Σ3GB在TEM离子辐照过程中的演变。 (A)预辐照，(B) 0.3 dpa， (C) 1 dpa。(i至vi)瞬变电磁法拍摄的一系列静态明场像。视频S1(0.369 ~ 0.459 dpa)说明了辐照诱导缺陷(GB的外部)与多面体Σ3 {112} GB之间的局域相互作用。

图3 离子辐照前后的晶面连接位置与辐照前测得的界面断开量有关；(A和B)辐照前后的GB刻面。(C)照射前(红色)和照射后(蓝色)测量的刻面位置图。刻面主要是相对于它们的初始位置向上移动。图(C)中未辐照晶界的绿点标记了高倍图像中围绕参考晶粒B刻面连接对的中点。(D)显示了一个刻面对的回路图示例，b = (a/6)[11] =δΑ，参考系为右边的晶体(晶粒B)。观察到的断开Burgers矢量主要由(a/6)[11] =δΑ组成，尽管在平均晶界倾角实质上偏离(11)的地方出现了其他分量。