我國學者聯合揭示納米線中晶界結構的尺寸效應

　　晶界是晶體材料中重要的缺陷之一。人們普遍認為在塊體晶體材料中小角晶界（取向差小于15°）由位錯墻構成，而大角晶界（取向差大于15°）則以結構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構和變形行為會產生顯著影響。

圖1 (a-d) 位錯型晶界(DGB)和(e-h)結構單元型晶界(SGB)的像差校正電子顯微像及定量應變分析。

　　近日，中國科學院金屬研究所固體原子像研究部杜奎研究組與先進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、旋進電子衍射和定量應變分析，在尺寸小于10納米的金納米線中發現晶界結構存在顯著的尺寸效應，該尺寸效應能有效地提高納米線的力學及導電穩定性。這一研究揭示了超納尺度金屬材料中晶界結構的尺寸效應及行為。

　　研究結果表明，當納米線直徑大于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°的晶界以結構單元型(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， 位錯型與結構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。定量應變分析發現，位錯型晶界的周圍存在明顯的彈性應變場而結構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構單元型,這個特征可以用來區別這兩種晶界。原位像差校正電子顯微學研究表明，尺寸效應形成的位錯型晶界可以在外加應力作用下以位錯墻滑移的方式進行晶界遷移，從而避免了傳統大角晶界的晶界滑移,這有效地提高了納米線的力學穩定性。原位透射電鏡形變和電學測量結果表明，納米線中位錯型晶界導致的電阻增加遠低于結構單元型晶界，這也提高了納米線的導電穩定性。這一原子尺度的原位定量電子顯微學研究揭示了超納尺度小尺寸金屬材料中晶界結構的尺寸效應，這一效應同時提高了材料的力學及電學穩定性，因而可能為微電子互連以及納米器件的設計提供新的思路。

　　該研究得到了國家自然科學基金、中國科學院前沿科學重點研究項目的資助。

　　相關論文近日在線發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。

圖2 兩種類型晶界隨納米線尺寸及晶界取向差變化的統計分布。

圖3 位錯型到結構單元型再到位錯型晶界結構的動態演化過程及其定量應變分析。