东京大学最新《Nature》子刊：结构转变过程中掺杂原子的两步晶界扩散机制

近日，东京大学Yuichi Ikuhara教授团队研究发现，Ti原子在氧化铝晶界的扩散与偏析会诱导该晶界发生原子级结构转变，这一转变进而显著提升了其扩散传输能力与溶质偏析容量。该研究揭示了晶界内偏析-相变-扩散三者之间存在的复杂耦合关系，为基于晶界工程的材料设计与性能调控提供了新思路。

该项成果以“Two-step grain boundary diffusion mechanism of a dopant accompanied by structural transformation”为题发表在Nature Communications。东京大学（现哈尔滨工业大学副教授）杨楚楚博士为论文第一作者，东京大学Yuichi Ikuhara教授、Bin Feng副教授为论文通讯作者。

晶界作为多晶材料的特征界面，其独特的原子排列导致溶质在材料加工过程中更易沿晶界扩散并发生局部偏析，这种效应使得掺杂成为调控材料性能的重要手段。传统晶界扩散理论多建立在晶界结构的静态简化模型之上，因而难以揭示扩散过程中界面原子构型的动态演化规律。最新研究表明，晶界结构在晶界迁移、温度变化或组分偏析等条件下会发生动态转变，暗示溶质扩散过程实际上与晶界结构变化相互耦合，然而晶界结构变化对扩散能力的影响机制目前尚不明晰。

本研究利用原子分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）结合X射线能谱（EDS）技术，直接追踪扩散过程中晶界原子结构演变与化学分布变化，揭示了一种具有临界Ti偏析浓度的两步晶界扩散机制。值得注意的是，转变后的晶界结构中扩散系数出人意料地提升了一个数量级，这一发现为理解晶界相变、偏析与扩散行为之间的耦合关系提供关键依据。

图1.不同扩散深度处晶界原子结构与化学分布。a-g不同Ti扩散深度下的HAADF STEM图像及对应的Al K与Ti K能谱面分布图。h蓝色箭头右侧数值表示Ti扩散深度，对应于a-g图中晶界位置。ST标示结构转变位置。i晶界扩散过程中观察到的晶界结构单元。

图2.结构转变区晶界原子结构与化学分布。a-b结构转变区的HAADF STEM图像及对应的结构单元。a中白色垂直箭头指示掺杂原子扩散方向。b中红色水平箭头标示两种不同结构间形成的晶界相结。c-d结构转变区对应的Al K与Ti K能谱面分布图及对应的结构单元。b与d中黄白虚线分别标示结构变化前后的晶界平面位置。

图3.晶界偏析能与晶界结构稳定性。a与c，分别表示非对称与对称晶界中沿[0001]方向各原子柱的平均Ti偏析能。b与d，分别为扩散深度1.49微米处非对称晶界与1.36微米处对称晶界的HAADF STEM图像及对应的Ti能谱面分布图。e，晶界能随Ti浓度的变化关系。黄色区域标示实验测得的结构转变区Ti浓度（2.4±0.2 nm⁻2）。

表1.晶界扩散参数

总结与展望：

本研究革新了对掺杂元素晶界扩散行为的基础认知：首次证实即使单一晶界也存在伴随结构转变的复杂扩散过程，且该转变会引致扩散系数剧变，凸显了原子结构在描述晶界扩散过程中的关键作用。通过结合扫描透射电子显微镜技术，实现了传统方法无法企及的扩散前端原子结构直接解析。鉴于晶界结构转变在多类材料体系中普遍存在，本结论具有广泛适用性。最后，研究揭示了慢扩散前端实为全过程扩散速控关键，这为通过晶界结构工程定向调控扩散速率提供了全新途径。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢作者团队支持。