金刚石是最坚硬的晶体材料，具有极高的强度，带隙可调范围大，氮空位中心可控。这种独特的材料在高压科学、机械工业、电子和光子学设备，甚至生物医学中都有广泛的应用。然而，金刚石具有最强的C-C共价键导致其也是最脆性材料。金刚石在室温下几乎没有可塑性，其脆性限制了在许多行业中的应用。几十年来，了解金刚石的机械性能，尤其是其在室温下的塑性变形机理一直是一个挑战。 3月10日，燕山大学田永君院士团队和浙江大学杨卫院士团队采用通过自主研发的原位微纳米力学装置在室温下对亚微米级金刚石柱进行了原位TEM测试。直接观察了单晶金刚石在压缩变形下的室温塑性，并获得了有关位错的类型、结构和位错运动的明确信息。相关论文以题为“Direct Observation of Room-Temperature Dislocation Plasticity inDiamond”发表在Matter。 论文链接： https:///10.1016/j.matt.2020.02.011 研究人员测试的Ib型单晶金刚石柱是由聚焦离子束（FIB）加工，氩等离子体减薄而制成的。研究发现，在压缩过程中，由于应力集中，微柱子较细的头部有一部分在厚的肩部处折断，从而产生了一个新鲜而尖锐的（-1-11）断面。进一步压缩加载到刚断裂的表面上，几个半位错环首先从断裂面形成，在压缩载荷的驱动下，这些半环随后成倍增加并从尖端传播到立柱的下部。这证明了室温下压缩过程金刚石中通常存在沿<111>方向产生位错的普遍性。 图1 压缩过程中金刚石柱的演化 研究人员将压缩的金刚石柱倾斜到各种双束（two-beam）条件下，确定位错的Burgers向量。经压缩的纳米柱可以清楚地区分不同滑移平面中的多个位错阵列（α，β和γ）。在所有双束条件下，位错阵列α均可见；位错阵列β只在g=[-111]时不可见；而阵列γ仅在g=[-1-11]可见。根据消光准则确定α，β和γ的Burgers向量分别为1/2[-101]，1/2[01-1]和1/2[110]。其他测试的金刚石柱中也证实了相同的1/2<110> Burgers矢量。 图2 Burgers位错向量的确定 图3 金刚石纳米柱中产生的位错及其滑移平面的三维构型 为了明确所产生的位错和晶格的滑动面，研究人员记录了纳米柱绕[111]轴从0°旋转到180°各角度的TEM图像。分析发现{001}<110>滑移系在受压的<111>取向金刚石柱中被激活，塑性由{111} <110>滑移系统控制。进一步研究了金刚石纳米柱在其他方向（包括<110>和<100>）的位错行为，最终发现在<111>和<110>取向压缩时，1/2 <110>位错主导了金刚石的塑性变形，而且是在非密排面 {100}滑移，而目前教科书中通常认为面心立方FCC晶体的位错是沿{111}面滑移。研究发现密排面的{111}<110>滑移系仅在{100}平面的切应力为零的情况下才激活。这些发现打破了传统认知。 图4 不同加载方向下金刚石的位错行为  加载过程的位错运动视频 研究对比分析了与金刚石相同晶格结构的<111>取向硅纳米柱的原位压缩，发现位错在{111}平面中激活，与金刚石不同，但与典型FCC金属中的观察结果一致。金刚石中这种异常的位错行为不仅与取向因子（Schmid因子）有关，还取决于其内在性质，例如晶格参数和C-C共价键。 研究人员通过分子动力学模拟分析了滑移过程的原子机理。发现相关的键断裂和重新键合过程将五元环和七元环重新定位到相邻位置，并实现位错沿1/2[110]滑移。连续的键旋转导致连续的位错运动。 图5不同载荷条件下的金刚石分子动力学模拟 综上所述，金刚石在<111>和<110>方向上进行单轴压缩时，塑性主要由位错在非密排面{100}的滑动决定。传统认知中，对于室温下的FCC晶体，很少有人认识或考虑过这种滑移系统。此外，{111}平面中的典型位错是在<100>取向的晶格上进行单轴压缩生成的，这表明金刚石中的位错行为与取向相关。（文：破风） |
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