導(dǎo)讀：眾所周知，金剛石在室溫下不發(fā)生塑性變形，通常發(fā)生脆性斷裂。本文在透射電鏡下對亞微米級金剛石柱進行了原位力學(xué)測試，研究了其室溫位錯塑性。史無前例地記錄了由無約束壓縮引入的位錯的時空特征，包括位錯的產(chǎn)生和傳播。層析成像重建的原子分辨觀察結(jié)果明確表明，在<111>和<110>的單軸壓縮下，具有伯格斯矢量1/2<110>的混合型位錯在金剛石的非密堆積{001}平面中被激活。方向分別在<100>方向載荷下在{111}平面中被激活時，指示與方向有關(guān)的位錯可塑性。這些結(jié)果為金剛石的力學(xué)行為提供了新的見解，并促使重新考慮金剛石以及其他脆性共價晶體在低溫下的基本變形機理。

金剛石是最堅硬的晶體材料，具有極高的強度，可調(diào)節(jié)的帶隙和可控的氮空位。這種獨特材料的這種特性在高壓科學(xué)、以機械為基礎(chǔ)的工業(yè)、電子和光子學(xué)設(shè)備，甚至生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。然而，金剛石也是最脆弱的材料，由于最強C-C共價鍵。因此，金剛石在室溫下幾乎沒有塑性，其脆性的特性在許多應(yīng)用中受到了嚴重的限制。了解金剛石的力學(xué)行為，特別是室溫下的塑性變形機制，幾十年來一直是一個挑戰(zhàn)。

金剛石的脆性-韌性響應(yīng)是由裂紋尖端的格里菲斯裂隙和塑性剪切之間的競爭引起的。要實現(xiàn)金剛石中的位錯滑移，首先必須打破強C-C共價鍵。在室溫下，C-C共價鍵的斷裂會導(dǎo)致在滑移前的解理斷裂。此外，金剛石中存在的位錯密度非常低，通常比金屬中存在的位錯密度低幾個數(shù)量級。因此，在室溫下解理前，金剛石不具有大的塑性變形。然而，材料的應(yīng)力狀態(tài)可能對其塑性變形行為起重要作用。理論研究表明，高靜水壓力能有效抑制金剛石微裂紋擴展，激活位錯滑移。觸發(fā)金剛石塑性變形的預(yù)計靜水壓力高達數(shù)百千兆帕斯卡，這可以通過在金剛石砧座中壓痕和壓縮來實現(xiàn)。實驗上，在努氏壓痕附近觀察到{111}<110>滑移系統(tǒng)的位錯。然而，不能排除這些位錯在壓痕之前存在于金剛石晶體中的可能性。由于缺乏直接證據(jù)，需要在現(xiàn)場觀測，金剛石是否存在室溫塑性已經(jīng)爭論了幾十年。電子顯微鏡的原位力學(xué)測試技術(shù)的最新發(fā)展已經(jīng)證明了在原位探測彈性變形和跟蹤微觀結(jié)構(gòu)演變的可行性。

燕山大學(xué)聯(lián)合浙江大學(xué)、美國芝加哥大學(xué)，利用透射電子顯微鏡(TEM)結(jié)合原子分辨TEM觀察和三維圖像重建，通過原位納米壓縮實驗對金剛石的塑性變形進行了全面的研究。直接實時觀察到金剛石中廣泛的位錯活動。展示了室溫下金剛石納米顆粒的位錯可塑性，并且位錯產(chǎn)生和傳播的時空特征清晰可見。本文直接觀察為金剛石的力學(xué)性能提供了明確的實驗證據(jù)和新的見解，解決了金剛石在室溫下塑性的長期爭論。相關(guān)研究結(jié)果以題“Direct Observation of Room-Temperature Dislocation Plasticity in Diamond”發(fā)表在國際頂級期刊Matter上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.02.011

盡管金剛石具有極高的強度和硬度，但室溫下其脆性極低。室溫塑性在實驗中很少觀察到，一般認為不太可能發(fā)生，因為金剛石中的突變脆性斷裂占主導(dǎo)地位。在此，通過在透射顯微鏡下原位力學(xué)測試，展示了室溫下金剛石納米顆粒的位錯可塑性，在不同的加載條件下，{001}<110>和{111}<110>位錯滑移體系都可以被激活。令人驚訝的是，雖然{111}<110>型更頻繁地在大多數(shù)面心立方(FCC)晶體中觀察到，但{001}<110>型滑移體系比{111}<110>型更容易激活。

圖1壓縮過程中金剛石納米粒子的演化。(A)壓縮前的金剛石納米顆粒的亮場(BF) TEM圖像；(B和C)原子尺度BF (B)和HAADF-STEM (C)金剛石納米顆粒圖像。(B)的插圖顯示金剛石納米孔的鋸齒狀圖案；插圖(C)顯示放大的原子尺度的鉆石納米粒子HAADF圖像。(D)金剛石柱斷裂的弱束暗場(DF) TEM圖像。(E)在壓縮載荷驅(qū)動下，從斷口表面發(fā)射出位錯半環(huán)。(F)位錯半環(huán)傳播和倍增。(G)激活了多個平面的位錯。(F)的插圖說明了半環(huán)的示意圖

圖2伯格斯位錯矢量的確定。(A)沿[101]晶帶軸在g=[11]雙光束條件下拍攝的圖像。(B和C)沿[112]晶帶軸在g=[1] (B)和g=[1] (C)兩束條件下拍攝的圖像。（D）原子分辨的HAADF-STEM圖像，顯示原位變形后的位錯核心。

圖3金剛石納米顆粒中產(chǎn)生的位錯及其滑移面的三維構(gòu)型。（A–D）壓縮金剛石納米柱在26 o（A），47 o（B），107 o（C）和176 o（D）處傾斜的DF-TEM圖像。(E-H)原理圖，顯示位錯和他們的滑行平面，在(A)到(D)中描繪的角度觀察。

圖4金剛石在不同加載方向下的位錯行為。(A)在<110>方向(A1和A2)載荷作用下，金剛石中的位錯被激活。將滑動平面旋轉(zhuǎn)到其側(cè)邊視圖(A3)并確定為(010)平面。(B)金剛石的位錯在<100>方向(B1和B2)載荷作用下被激活。將滑動平面旋轉(zhuǎn)到其側(cè)邊視圖(B3)并確定為(111)平面。

圖5確定初始塑性模式的彈性穩(wěn)定性準則。(A)金剛石晶格沿[111]單向壓縮的理論應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中第一次應(yīng)力降出現(xiàn)在應(yīng)變?yōu)?7%時。(B)Λ(ω, n)三種擾動模式，即(100)[011]滑移系，(11) [011]滑移系，和(11)解理。(C)三種松弛模式對應(yīng)的彈性模量和解析應(yīng)力。下標表示對應(yīng)的(ω, n)。

圖6 基于密度泛函理論的金剛石分子動力學(xué)模擬不同加載條件下。（A）弛豫后在（001）平面中包含具有伯格斯矢量1/2[110]的邊緣錯位的菱形晶格模型。位錯核心突出顯示。(B)裂紋在純剪切應(yīng)變?yōu)?.7%的情況下開始，由位錯核邊緣處的C-C鍵斷裂可見。突出顯示缺陷區(qū)域。(C)在靜水壓力為400 GPa [(C1)和(C2)]下，在11.7%的剪切應(yīng)變驅(qū)動下，沿位錯在[001]平面上由一個漢堡矢量滑移。紅色和黃色突出了位錯核心位置前后在一個伯格斯矢量，如箭頭所示。(D) (C1)和(C2)中的晶格重疊，顯示位錯滑移機制。位錯芯分別以紅色和黃色突出。兩個箭頭表示C原子的主要位置變化，其特征為鍵旋轉(zhuǎn)過程

綜上所述，本文直接觀察到了金剛石單晶在無圍壓變形條件下的室溫塑性，并且得到了所產(chǎn)生的位錯的類型、結(jié)構(gòu)和運動的明確信息。金剛石中已識別的塑性主要是位錯在非封閉狀態(tài)下的滑移{100}面分別在<111>和<110>方向的單軸壓縮下。這種滑移系統(tǒng)很少被認可或考慮用于室溫下的FCC晶體。此外，在<100>取向的晶格上單軸壓縮產(chǎn)生{111}晶格中的典型位錯，表明金剛石中的位錯取向行為。該新結(jié)果和當(dāng)前工作中發(fā)展的技術(shù)可以擴展到理解其他脆性共價晶體的變形行為。