近日，《Nano Letters》在线刊登了东北大学材料科学与工程学院秦高梧教授团队与中国科学院金属研究所杨院生研究员团队合作的研究论文“Nonsymmetrical Segregation of Solutes in Periodic Misfit Dislocations Separated Tilt Grain Boundaries”。该研究利用球差校正的HAADF-STEM技术结合分子动力学模拟等方法揭示了溶质原子在晶界上的有序偏聚行为。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c05008

溶质/杂质原子在晶界上的偏聚对材料的力学性能起着至关重要的作用，而从原子尺度认识溶质/杂质原子在界面上的偏聚行为将有助于人们更好地设计高性能材料。经典的McLean偏聚理论认为溶质/杂质在界面上的偏聚一般是单层或亚单层的，通常以无序方式偏聚，而且忽略界面原子之间的相互作用，也没有界面结构的转变。

在Mg-Nd-Mn三元模型体系中（Nd原子半径大于Mg， Mn原子半径小于Mg），该工作使用球差校正的HAADF-STEM技术发现了Nd/Mn溶质原子在线性转晶界上周期性的非对称有序偏聚，形成了4种偏聚新模式（如图1所示）。分子动力学模拟结合Voronoi分析表明，这些线性非对称/对称倾转晶界上存在周期性交替分布的张应变区与压应变区，溶质原子在弹性应变最小化的驱动下偏聚到晶界上的特定张/压位点，形成了这些由特定准结构单元组成的二维界面超结构。与完全对称的人造双晶界面或无位错的孪晶界面偏聚模式不同，这些周期性非对称偏聚的发生主要是由线性倾转晶界两侧局部应变不对称造成的。

图1 Mg-Nd-Mn合金中溶质原子在4种线性倾转晶界上的非对称有序偏聚

该研究结果表明，原子尺寸失配效应以及原子之间的化学键合作用是形成这些多原子层厚度界面超结构的主导因素；此外，原子之间的相互作用还诱发了界面相变。这些发现丰富了人们对于应变驱动溶质/杂质原子在界面偏聚行为的理解，表明溶质偏聚形成的周期性界面结构可能广泛存在于多晶材料的线性晶界中。线性晶界是块体材料中最为常见的面缺陷，尤其是金属材料热机械变形过程中经常出现高密度的线性晶界，调控这些晶界的溶质原子偏聚行为为实现金属材料的高性能化开辟了新方向。

该论文的第一作者为东北大学材料学院青年教师谢红波博士，通讯作者为东北大学材料学院潘虎成副教授和中科院金属所黄秋燕助理研究员。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁省“兴辽英才计划”创新团队基金和中国博士后科学基金等项目的支持。本工作得到东北大学校测试中心在球差电镜表征方面给予的支持，杜奎研究员（中科院金属所），金剑锋副教授和杨培军博士生（东北大学）在理论计算与模拟方面提供了帮助。