博士生一作发Nature！金属位错研究取得重大成果！

导读：大多数工程材料基于多相微结构，通过控制相平衡或通过制造不同材料（如在薄膜加工中）产生。在这两个过程中，微观结构通过跨异相界面的失配位错（或几何失配位错）向平衡松弛.尽管它们无处不在，但由于它们的埋藏性质，直接探测错配位错的动态作用是无法实现的。本文以氧化铜到铜的界面转变为例，我们展示了错配位错在以间歇方式调节氧化物到金属的界面转变中的作用，通过这种方式，界面凸台的横向流动被固定在错配位错直到位错爬升到新的氧化物/金属界面位置。结合原子计算，我们确定钉扎效应与金属原子的非局部传输以填充位错核心的空位有关。

什么是位错（dislocation）？“位错”这一概念最早由意大利数学家和物理学家维托·伏尔特拉于1905年提出，在材料科学中，指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体缺陷）。从几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。

对错配位错及其与相变的动态耦合的基本理解一直是一个长期的研究课题。透射电子显微镜(TEM)在阐明静态位错的位置和构型方面显示了其多功能性和原子尺度的精度。用透射电镜观察了形变过程中的位错运动。然而，直接探究相变过程中错配位错的动态作用具有挑战性，因为它不仅需要原子捕获界面的快速演化，而且需要应用刺激来驱动界面转换。

美国纽约州立大学宾汉姆顿分校周光文教授课题组，以氧化铜到铜的界面转变为例，展示了错配位错在以间歇方式调节氧化物到金属的界面转变中的作用，通过这种方式，界面凸台的横向流动被钉扎在错配位错直到位错蔓延到新的氧化物/金属界面位置。结合原子论计算，我们发现钉扎效应与金属原子在位错核处填充空位的非局域输运有关。这些结果提供了固-固界面转变的机理洞察力，对利用埋藏界面的结构缺陷来调节传质和转变动力学具有重要意义。相关论文以题为“Dislocation-induced stop-and-go kinetics of interfacial transformations”发表在Nature上。

链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04880-1

在这里，我们报告了在界面转换过程中错配位错的动态作用的直接可视化。这是通过现场环境TEM在样品区流动氢气(H2)气体来激活铜氧化物(Cu2O)/铜(Cu)界面反应，同时通过高分辨率TEM (HRTEM)成像来分辨Cu2O→Cu界面转变。我们的原位TEM实验(补充图1)包括通过在氧气(O2)中氧化Cu形成Cu2O/Cu界面，然后切换到H2，这导致Cu2O在Cu2O/Cu界面还原为Cu。

图1. 在Cu2O/Cu界面形成错配位错

图2. 在623 K和5.3 Pa的H2气体中Cu2O→Cu界面转变的停歇流动的原位TEM可视化

图3显示了走走停停的界面转换受错配位错的调节。也就是说，边缘流动在位错的核心处暂停，然后在几秒钟后恢复其横向传播。图3a-e显示了界面边缘沿 Cu 2 O(110)/Cu(110) 界面间歇流动的原位 HRTEM 图像。图3a显示了具有 8 × 7 CSL 匹配的三个错配位错，其中位错核心周围的原子柱用红叉标记以追踪位错的确切位置。

图3. 在623 K和5.3 Pa的H2气体流量下，Cu2O→Cu界面转变过程中由错配位错调节的间歇性凸台流的原位原子尺度观测

图4. 停走式Cu2O→Cu界面转变的DFT建模

近年来对界面结构在相变中的作用进行了综述。在错配位错的核心处也观察到高密度的界面壁架的钉住，以及在其他异相界面处证实了stop-and-go界面转变的广泛普遍性。对于边缘分量和螺钉分量同时存在的错配位错，界面壁架在位错核心处的钉住取决于边缘分量的爬升速度和螺钉分量到新的界面位置的交叉滑移率，从而恢复了界面位错的混合性质。鉴于窗台机制在固-固转化中的普遍存在，错配位错在调节固-固反应动力学中的重要作用可能直接适用于结垢反应(即氧化、氮化、硫化和硅化)、沉淀反应、固-置换反应和互扩散形成层，其中控制界面转化的基本过程的原型表现出相似性。包括界面壁架、错配位错和空位辅助扩散。