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晶界是晶體材料中重要的缺陷之一。人們普遍認(rèn)為在塊體晶體材料中小角晶界（取向差小于15°）由位錯墻構(gòu)成，而大角晶界（取向差大于15°）則以結(jié)構(gòu)單元而不是位錯的形式存在。隨著晶體材料的尺寸逐漸減小，大量存在的表面對材料的結(jié)構(gòu)和變形行為會產(chǎn)生顯著影響。
近日，中國科學(xué)院金屬研究所固體原子像研究部杜奎研究組與先進(jìn)炭材料研究部李峰研究員、非平衡金屬材料研究部金海軍研究員等人合作，利用原位像差校正高分辨透射電鏡、旋進(jìn)電子衍射和定量應(yīng)變分析，在尺寸小于10納米的金納米線中發(fā)現(xiàn)晶界結(jié)構(gòu)存在顯著的尺寸效應(yīng)，該尺寸效應(yīng)能有效地提高納米線的力學(xué)及導(dǎo)電穩(wěn)定性。這一研究揭示了超納尺度金屬材料中晶界結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)及行為。
研究結(jié)果表明，當(dāng)納米線直徑大于10納米時，取向差小于15°的晶界以位錯型（DGB）形式存在，而取向差大于15°的晶界以結(jié)構(gòu)單元型（SGB）存在，與塊體材料相似。隨著納米線直徑減小到10納米以下， 位錯型與結(jié)構(gòu)單元型晶界的臨界取向差將大于15°并且隨納米線直徑減小而增大。當(dāng)納米線直徑為2納米時，取向差為28.6°的大角晶界仍然以位錯型的形式存在。定量應(yīng)變分析發(fā)現(xiàn)，位錯型晶界的周圍存在明顯的彈性應(yīng)變場而結(jié)構(gòu)單元型晶界周圍沒有，這使得位錯型晶界的寬度明顯寬于結(jié)構(gòu)單元型，這個特征可以用來區(qū)別這兩種晶界。原位像差校正電子顯微學(xué)研究表明，尺寸效應(yīng)形成的位錯型晶界可以在外加應(yīng)力作用下以位錯墻滑移的方式進(jìn)行晶界遷移，從而避免了傳統(tǒng)大角晶界的晶界滑移，這有效地提高了納米線的力學(xué)穩(wěn)定性。原位透射電鏡形變和電學(xué)測量結(jié)果表明，納米線中位錯型晶界導(dǎo)致的電阻增加遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)單元型晶界，這也提高了納米線的導(dǎo)電穩(wěn)定性。這一原子尺度的原位定量電子顯微學(xué)研究揭示了超納尺度小尺寸金屬材料中晶界結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)，這一效應(yīng)同時提高了材料的力學(xué)及電學(xué)穩(wěn)定性，因而可能為微電子互連以及納米器件的設(shè)計提供新的思路。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目的資助。
相關(guān)論文近日在線發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。
圖1 （a-d） 位錯型晶界（DGB）和（e-h）結(jié)構(gòu)單元型晶界（SGB）的像差校正電子顯微像及定量應(yīng)變分析。
圖2 兩種類型晶界隨納米線尺寸及晶界取向差變化的統(tǒng)計分布。
圖3 位錯型到結(jié)構(gòu)單元型再到位錯型晶界結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化過程及其定量應(yīng)變分析。
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