3600年了！终于观察到了原子尺度下的晶界动态迁移！

我国商朝时期（公元前16世纪——11世纪），釉陶和初具瓷器性质的硬釉陶便已出现。至魏晋时期（公元220—420年）我国就已完成了用高火度烧成胎质坚实的瓷器这一重大发明。

然而近代我们才对陶瓷有了更深的认识。陶瓷和金属主要以多晶形式使用，多晶是由大量单晶组成的，称为晶粒，它们之间的界面称为晶界(grain boundary, GBs)。这些材料的宏观性能，如机械强度、抗辐射损伤性能、热电阻率和电阻率等，主要由微观组织决定，即晶粒尺寸和GB密度。为了控制微观结构的演变，通常使用外部刺激，如热、应力或辐照，来激发系统到能量增加的状态。在这个状态下，材料退火，发生GB迁移来修改微观组织，以达到期望的性能配置。

晶界

一般来说，大部分固态组织转变，如晶粒长大、再结晶和相变，最终由GB迁移控制。在原子尺度上，GB迁移是由原子机制决定的。这就是原子从一个颗粒转移到另一个颗粒的方式，这与原子GB结构的重排高度相关。

虽然许多研究都致力于分析GB原子迁移机制，但大多数研究都是基于理论方法。原子分辨率电子显微镜的最新发展提供了一个机会，直接可视化原子GB迁移。然而，在实验中，追踪单个原子或列的运动，以及在迁移过程中相关的GB结构演变仍然具有挑战性。虽然扫描透射电子显微镜(STEM)具有较强的直接成像GB静态原子结构的能力，较差的时间分辨率限制了GB迁移的动态观测。与此同时,高分辨率透射电子显微镜(TEM)有一个或两个数量级的更好的时间分辨率(10 – 100 ms)，但结构复杂的GBs的细节和他们在迁移期间的演变仍难以完全确定在原子层面上。此外，在以前的高分辨率TEM下，电子束直接均匀地照射在晶粒和GBs上。在这样的条件下，由于GB的结构变化是由光束照射GB直接引起的，很难研究GB的内在迁移机制。因此，需要一种新的策略来观察原子迁移，而不需要任何光束照射。

东京大学Yuichi Ikuhara和Bin Feng（均为通讯作者）在Nature Materials上发表文章，Direct imaging of atomistic grain boundary migration，在这里，作者驱动平面GB粒子迁移的策略是只对GB附近的一个颗粒进行电子束辐照（图1），通过控制GB迁移的进程，可以用一系列静态STEM图像构造一个定格电影来直接成像这样的动态过程。

作者首先证明了通过控制电子束可以触发GB在α-Al₂O₃中的迁移，并且迁移过程是完全可控的。因此，通过重复的“触发-探测”方法对GB原子迁移的过程进行成像：首先触发只有几个原子列的GB迁移，然后使用高角度环形暗场(HAADF)-STEM成像，以帧的形式探测，由此给出GB原子结构的演变过程。重复这样的“触发-探测”方法来能够跟踪单个原子列的运动和GB结构的演变。

图文详情

图1. STEM下的晶界迁移实验，电子束被控制照射到靠近GB的两个颗粒中的一个，例如，黄色虚线框内。

图2. GB迁移的图像

图3. GB运动的原子过程逐列成像

图4. GB迁移的原子几何和结构变化的二色模式

文献信息

Wei, J., Feng, B., Ishikawa, R. et al. Direct imaging of atomistic grain boundary migration. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00879-z

https://www.nature.com/articles/s41563-020-00879-z#Sec7

3600年了！终于观察到了原子尺度下的晶界动态迁移！

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