《Science》子刊：突破！直接实时观察晶界和位错相互作用过程

导读：在变形过程中，晶界的存在对位错行为具有至关重要的影响。这些边界极大地改变了多晶材料的机械性能。人们一直认为，晶界是位错滑移的有效屏障，但是这种屏障行为多年来一直是一个推测。本文直接观察到SrTiO3中高角度和低角度晶界如何阻碍单个位错的运动的。原位观察结果表明，高角度和低角度晶界都阻碍了位错滑移，而位错滑移的阻碍并不仅仅源于几何效应。它也是由于晶界核心处的局部结构稳定效应而产生的，特别是对于低角度晶界而言，同时考虑几何效应和稳定效应对于定量了解晶界位错障碍过程是必要的。
晶体材料的塑性变形受位错的滑动控制。众所周知，位错滑移受其他晶格缺陷支配。在多晶材料，其在大多数实际应用中使用的情况下， 位错滑移强烈地受材料内容部内众多晶界的影响。因此，晶界对位错滑移的影响是理解多晶材料塑性变形的关键。霍尔佩奇关系现在已经成为解决晶界对材料机械性能影响的基本方程式。这种关系表明，多晶材料的屈服应力与平均晶粒尺寸的平方根成反比。即，材料的每单位体积的晶界越多，则材料越坚固， 晶格位错将不容易滑过晶粒边界，而是堆积在晶界后面。尽管现在霍尔-帕奇关系已广泛用于设计多晶材料的机械性能，但堆积的起源仍是一个推测问题。到目前为止，几何和/或弹性效应（例如相邻晶粒中滑移面的连续性，跨越晶粒边界的Burgers矢量的变化，图像应力等）主要考虑解释晶界位错堆积的原因。 然而，单个晶界如何实际影响单个位错的运动仍然是一个长期存在的问题。
近年来，原位透射电子显微镜（TEM）已经开发出来，直接观察到晶体动态位错运动。特别地，在原位TEM纳米压痕技术允许一个动态地甚至在纳米尺度观察TEM样品内的局部错位行为。 使用精心制备的双晶粒TEM样品，直接观察到形变过程中位错与晶界之间的相互作用。
基于此， 日本著名球差电镜专家、世界陶瓷科学院院士、日本东京大学教授幾原雄一团队使用原位TEM纳米压痕技术，对钛酸锶[SrTiO3（STO）]中具有明确定义的晶界的单个晶格位错的相互作用过程进行了动态观察。对STO进行的纳米压痕研究表明，通过进一步压入晶体，可以看到这些位错沿[100]方向传播。我们设计了适用于观察晶格位错与晶界之间相互作用的双晶粒TEM试样。相关研究成果以题“Direct observation of individual dislocation interaction processes with grain boundaries”发表在Science advances上。论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/2/11/e1501926 低角度倾斜晶界不仅在加载过程中越过晶界平面时，而且在卸载过程中移回到初始晶粒中时，都稍稍阻碍了晶格螺位错运动，低角度倾斜晶界是晶格螺位错的稳定部位。