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原位透射电镜和分子动力模拟法 揭示五重孪晶形成机理

仪表研发 2020年01月08日 13:05:11 来源:仪表网人气:17357
  【仪表网 仪表研发】近日,中国科学院金属研究所钛合金研究部助理研究员周刚(共同一作)、副研究员王皞与美国太平洋西北国家实验室教授Li Dongsheng(通讯作者)、博士宋淼(共同一作)以及密歇根大学博士鲁宁(共同一作)等人合作,采用高分辨原位透射电镜和分子动力学模拟方法,在原子尺度揭示了两种五重孪晶的形成机理。相关研究成果于2020年1月3日在《科学》(Science)在线发表。
 
  作为一种重要的孪晶结构,五重孪晶在晶体生长、生物医学、光学和催化等领域均有着广泛的应用。比如,五重孪晶结构所引入的晶格畸变可以增加纳米线的杨氏模量;五重孪晶铜纳米线在还原CO2制备甲醇的过程中表现出优异的催化性能等。尽管自G. Rose于1831年在金中发现五重孪晶以来,科研人员已在近百种材料中发现了五重孪晶结构并开展了大量的基础和应用研究,但由于无法在原子尺度直接观察形成过程,其形成机理至今仍无定论。
 
  孪晶是指两个晶体(或一个晶体的两部分)沿一个公共晶面(即特定取向关系)构成镜面对称的位向关系,这两个晶体就称为"孪晶",此公共晶面就称孪晶面。
 
  在晶体生长和制备过程中,晶体会沿某种对称操作共生,形成孪晶。孪晶界面所分隔开的两部分晶体间以特定的取向关系相交接,从而构成新的附加对称元素。如反映面、旋转轴或对称中心。但这些对称操作一定是独立的,不能与晶体结构所属空问群中的任何对称操作相关联。同时,这些新加入的对称操作也必须是结晶学允许的。对于单斜晶系来说,其对称特征是在b轴方向上存在着一个二次旋转轴或反映对称面。该反映面是独立的,其反映对称操作使晶体的两个部分进一步关联,得到孪晶。
 
  此次研究人员发现,在~3nm Au、Pt和Pd纳米颗粒的聚集生长过程中,纳米颗粒可以通过颗粒间的取向粘附(Orientation attachment,OA)形成起始的两个孪晶界面,然后经原子表面扩散和高能晶界形成及分解(机理1)或不全位错的滑移(机理2)形成五重孪晶结构。两种形成机理主要取决于颗粒取向粘附后所形成的表面结构。如果经取向粘附后,形成的凹面夹角接近90°,则为机理1;如果形成的凹面夹角接近150°,则为机理2,其具体的形成过程如下:
 
  机理1:通过取向粘附、原子表面扩散以及随后的高能晶界的形成和分解。首先,经颗粒取向粘附过程形成起始的两个Σ3孪晶界面以及一个~90°凹面;这种较大曲率的凹面将促使表面原子扩散到该处进而形成第三个Σ3孪晶界和Σ27高能晶界;最终通过孪晶极附近零应变孪晶的形核及生长,Σ27分解成另外两个Σ3孪晶界并形成五重孪晶结构。该机理可形成较为对称的五重孪晶结构。
 
  机理2:通过取向粘附和不全位错的滑移或晶界分解。当取向粘附过程形成的凹面夹角为~150°时,通过在表层原子中不全位错的滑移或Σ9晶界的分解即可实现五重孪晶的形成。不全位错的继续滑移可促使孪晶界面向晶粒内部迁移,但也伴随着晶格应变能增大,因此该机理主要形成不对称的五重孪晶结构。在后续的生长过程中,五重孪晶对称性的演化可通过与其他纳米颗粒的聚集长大实现。
 
  纳米颗粒,又称纳米尘埃,纳米尘末,指纳米量级的微观颗粒。它被定义为至少在一个维度上小于100纳米的颗粒。小于10纳米的半导体纳米颗粒,由于其电子能级量子化,又被称为量子点。
 
  纳米颗粒是一种人工制造的、大小不超过100纳米的微型颗粒。它的形态可能是乳胶体、聚合物、陶瓷颗粒、金属颗粒和碳颗粒。纳米颗粒越来越多地应用于医学、防晒化妆品等中。
 
  纳米颗粒能够渗透到膜细胞中,并沿神经细胞突触、血管和淋巴血管传播。与此同时,纳米颗粒有选择性地积累在不同的细胞和一定的细胞结构中。纳米颗粒的强渗透性不仅仅为药物的使用提供了有效性,同时,也对人体健康提出了潜在威胁。但至今,对纳米颗粒对人体健康危害的研究还很少。
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