《Science Advances》：晶界阻礙位錯滑移，可以直接觀察到了

導讀：文中通過透射電鏡內的原位納米壓痕實驗，直接觀察了高角度和低角度晶界阻礙SrTiO3中各個位錯的運動的過程。結果發現，高、低角度晶界都會阻礙位錯滑移，這不僅僅源於幾何效應，也是晶界處局部結構穩定效應的結果，尤其是對於低角度晶界。研究結果表明，對於定量理解晶界位錯阻礙過程，需要同時考慮幾何效應和穩定效應。

晶體材料的塑性變形受位錯滑移的控制。眾所周知，位錯滑移受其他晶格缺陷的影響。在大多數實際應用中使用的多晶材料的情況下，位錯滑移受到材料中大量晶界的強烈影響。因此，晶界對位錯滑移的影響是理解多晶材料塑性變形的關鍵。

在努力實現這種效應量化中，Hall-Petch關係如今已經成為解釋晶界對材料力學性能影響的基本方程，推測每單位體積材料的晶界越多，材料就變得越堅固，並在微觀模型的基礎上得到成功的解釋。在微觀模型中，晶格位錯不容易滑過晶界，而是堆積在晶界後面。雖然Hall-Petch關係現在被廣泛用於設計多晶材料的力學性能，然而堆積的起源仍有待推測。迄今為止，堆積原因主要被認為是幾何和彈性效應引起。然而，單個晶界實際上如何影響單個位錯的運動仍然是一個長期存在的問題。

近年來，原位透射電子顯微鏡(TEM)已經發展到可直接觀察晶體在應力下的動態位錯運動。特別是，原位透射電鏡納米壓痕技術甚至允許在納米尺度下動態觀察局部錯位運動。此外，使用製備優良的雙晶粒TEM樣品，觀察變形過程中位錯和晶界間的相互作用成為可能。

近日，東京大學幾原雄一教授團隊使用原位TEM納米壓痕技術，動態觀察了SrTiO3（STO）中單個晶格位錯與明確晶界相互作用過程，並基於此設計了適用於觀察透射電鏡雙晶粒樣品。相關成果以 「Direct observation of individual dislocation interaction processes with grain boundaries」為題發表於頂級學術期刊《Science Advances》。

論文連結：https://advances.sciencemag.org/content/2/11/e1501926

先前對STO單晶的原位納米壓痕研究已經表明，當壓頭尖端沿[001]方向插入時，晶格位錯與伯格斯矢量平面可以以受控的方式從壓入點引入。進一步壓入晶體，可以看到位錯沿著[100]方向傳播。

高角度晶界位錯阻礙機制研究表明S5晶界作為晶格位錯滑移的屏障。而低角度邊界情況下，晶格位錯和晶界核之間的相互作用實際上是晶格螺旋位錯和晶界邊緣位錯之間的相互作用。

在變形過程中，晶界的存在對位錯行為有重要影響，極大地改變了多晶材料的力學性能。過去認為晶界是位錯滑移的有效阻礙，但其起源多年來一直是一個猜想。文中直接和動態觀察直接顯示了高、低角度晶界處的單個位錯阻礙過程。晶界對晶格位錯的阻礙不僅僅源於幾何效應，還由於其核心的局部結構穩定效應，特別是在低角度晶界。目前的發現表明，幾何效應和穩定效應必須同時考慮，以定量理解晶界上的位錯相互作用過程，這是自下而上方法模擬多晶材料力學性能所必需的。因此，用良好製備的樣品進行的原位TEM實驗對於從根本上理解各種晶體材料中缺陷-缺陷相互作用的動力學和微觀機制是極其有效的。