《Nature Commun》：原子尺度研究体积扩散、晶界扩散！

扩散是科学研究中最重要的现象之一，从物理学到生物学，甚至在抽象的社会科学中都有研究。在材料科学领域，晶体固体中的扩散在材料的合成、加工和应用中起着举足轻重的作用，引起了人们的特别关注。

虽然这一学科已经被广泛研究了很长时间，但仍有一些基本的知识空白需要填补。特别是对热激体积扩散及其机理的原子尺度观测仍然缺乏。此外，沿晶界等缺陷扩散的机理和动力学尚不完全清楚。

在此，来自瑞士联邦材料科学与工程实验室的Peter Schweizer等研究者，在原子尺度上展示了金属基体中钨原子的体积扩散过程。相关论文以题为“Atomic scale volume and grain boundary diffusion elucidated by in situ STEM”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-43103-7

在晶体格子中，扩散可以理解为由热振动驱动的原子跳跃过程。原子可以通过空位介导的过程从一个格点跳到另一个格点，或者通过利用间隙位在格子中移动。哪种机制占主导地位取决于晶格的类型和涉及的元素，对于轻元素，间隙扩散经常被观察到，而空位辅助扩散是自扩散和重杂质元素扩散的主要机制。人们已经提出了几种更复杂的机制，如环形扩散或群体迁移，但这些机制缺乏明确的实验证据。一般来说，体积扩散由阿伦尼乌斯关系描述，其中扩散系数取决于激活能和温度。

然而，自从体积扩散实验的早期以来，尤其是在低温下，观察到了偏离简单阿伦尼乌斯关系的情况。在许多情况下，完全忽略低温数据，将其归因于沿缺陷，尤其是晶界的快速扩散。然而，所有关于体积扩散的研究都依赖于间接测量，例如使用放射性示踪剂剖面或特征衍射斑点，限制了它们对扩散机制的结论。

在此，研究者使用原位高分辨率扫描透射电子显微镜(STEM)来直接跟踪单个原子的扩散。为了做到这一点，研究者将重杂质元素(W)与轻矩阵元素(Al,Cu)结合以获得必要的对比度。这使研究者能够区分纯体积扩散和晶界扩散，并对扩散机制作出断言。此外，低温扩散是很容易实现的，因为它能够检测到单原子跳跃，晶格中最小的位移。

图1 金属晶格中杂质原子的体积扩散。

图2 单原子在385°C下随机游走的图像系列。

图3 铜中沿晶界扩散。

图4 体积和双边界扩散的Arrhenius图。

综上所述，研究者展示了在一定温度范围内稀钨原子在FCC金属基体中的体积扩散的原子尺度观察。研究者可以通过实验证实原子通过晶格进行各向同性随机游走，使用最近邻跳跃。跟踪原子的运动以提取扩散动力学。在这里，研究者能够明确地将真正的体积扩散与双边界上的扩散分开，从而使研究者能够获得沿CTB扩散的活化能。

此外，研究者能够证明大角度晶界可以增强扩散或导致稀杂质的偏析。沿晶界运动的机制可以是从晶格点跳到晶格点，也可以是利用晶界多余体积中的间隙点。最后，对于低温扩散，研究者可以证明通过空位介导的最近邻跳跃仍然促进了扩散，并排除了其他机制。研究者相信这些观察结果可以转移到类似的含金属杂质的FCC金属系统中。

这项工作不仅可以作为“教科书”的例子来展示晶格中的体积扩散机制，而且还可以为缺陷和低温下的扩散提供见解。（文：水生）

声明：本文来自微信公众号“材料科学与工程”。转载请联系并保留此框文字。