1. 简介
大多数工程材料基于通过相平衡控制或薄膜加工制备的多相微观结构。在这两种过程中，微观结构通过异相界面处的失配位错（或几何失配位错）向平衡态弛豫。尽管这些位错普遍存在，但由于其埋藏特性，直接探测其动态行为一直未能实现。
本文以氧化铜向铜的界面转变为例，揭示了失配位错以间歇方式调控氧化物-金属界面转变的作用机制：界面台阶的横向流动会被钉扎在失配位错核心，直至位错攀移至新的氧化物/金属界面位置。结合原子尺度计算，我们发现这种钉扎效应与非局域金属原子传输以填充位错核心空位相关。这些结果为固-固界面转变提供了机理层面的理解，并对利用埋藏界面的结构缺陷调控质量传输和转变动力学具有重要意义。
2. 文章亮点
1. 首次直接观测失配位错的动态调控机制
通过原位环境透射电镜技术，首次实时捕捉到Cu₂O/Cu界面转变中失配位错对台阶流动的间歇性调控行为，揭示位错核心通过钉扎-攀移循环控制界面动力学的原子尺度过程。
2. 提出非局域原子传输的钉扎效应机理
结合DFT计算发现，界面台阶流动的暂停源于位错核心处铜空位柱的形成，恢复流动需铜原子长程扩散填充空位，阐明了扩散速率与位错攀移速度的定量关联。
3. 揭示界面缺陷对固态反应的普适性影响
证实失配位错网络通过协调台阶流动与位错攀移，普遍延缓固-固界面转变动力学，为氧化、沉淀等涉及界面缺陷的固态反应提供了统一的理论框架。
3. 研究背景
对失配位错及其与相变动态耦合的基础理解是长期研究主题。透射电子显微镜（TEM）在阐明静态位错的位置和构型方面展现了原子级精度优势，并已用于观测变形过程中的位错运动。然而，直接探测相变过程中失配位错的动态行为仍具挑战性，因其不仅需要原子尺度捕捉界面的快速演化，还需施加驱动界面转变的外部刺激。
本研究通过原位环境TEM实现了失配位错动态行为的直接可视化。实验中通入氢气（H₂）激活氧化铜（Cu₂O）/铜（Cu）界面反应，同时利用高分辨TEM（HRTEM）成像解析Cu₂O→Cu界面转变过程。通过先氧化铜形成Cu₂O/Cu界面，再切换至H₂气氛诱导还原的方法（补充图1），我们建立了研究界面动力学的理想体系。
4. 图文解析
a. 在氧气分压（pO₂）= 0.67 Pa、温度T = 623 K条件下，通过原位氧化Cu(110)晶面形成的Cu₂O/Cu界面HRTEM图像。绿色虚线标记界面位置，四个失配位错核心区域用十字标出。插图：HRTEM图像的衍射图，黄色和红色圆圈分别标记Cu和Cu₂O的(200)衍射斑点。b. HRTEM图像的平面应变图（εₓₓ），显示位错核心周围的应变集中。c. 典型失配位错的放大HRTEM图像，显示伯格斯矢量 b = ½[110]。d. 通过DFT优化的Cu₂O(110)/Cu(110)界面结构进行HRTEM模拟的位错核心结构，白色线标记伯格斯回路。e. 用于d中模拟的DFT弛豫界面结构。f. 典型失配位错的HAADF-STEM图像。比例尺：1 nm（a），0.5 nm（c, d, f）。
a–d. 时间序列HRTEM图像（补充视频1）显示Cu₂O(110)/Cu(110)界面沿横向台阶流动的转变过程。箭头1和2标记界面台阶位置。c与d之间电子束空白约60秒以消除电子束影响。深红、红、橙、黄虚线分别标记0 s（a）、10.5 s（b）、21 s（c）、102 s（d）时氧化物的表面轮廓。e. 从补充视频1提取的距离-时间图，显示台阶1和2的间歇性横向流动。f–i. 低倍TEM图像（补充视频2）展示Cu₂O(100)/Cu(100)界面的转变过程，箭头3和4标记台阶流动。f中插图为界面区域的放大HRTEM图像。j. 台阶3和4流动的距离-时间图。比例尺：2 nm（a–d），5 nm（f–i）。
a–e. 时间序列HRTEM图像（补充视频3）显示Cu₂O(110)/Cu(110)界面双原子高度台阶的流动被位错核心钉扎2–6秒后恢复迁移。f. (110)界面台阶在位错核心的停留时间统计。g–k. Cu₂O(100)/Cu(100)界面单原子台阶的间歇流动（补充视频4），黄色箭头标记台阶位置，停留时间0.5–1.5秒（l）。白色“T”和红色十字标记位错核心。比例尺：1 nm（a–e, g–k）。
a, b. 界面氧原子（红圈）移除后，相邻铜原子（小黑箭头）向空位弛豫，形成两列铜空位（蓝虚线圆圈），位错线从红色虚线“T”滑移至粉色实线“T”。b中插图为HAADF-STEM图像，显示台阶在位错核心的钉扎及原子柱强度降低。c. 铜原子（蓝球）填充空位后，位错从粉色虚线“T”攀移至黑色实线“T”，系统能量降低0.44 eV。d, e. 铜空位在体相中扩散时的系统能量变化。f. 示意图显示体相刃位错作为空位汇和铜原子源。g. 时间序列HRTEM图像（补充视频5）显示体相刃位错的正攀移。h. 平行于台阶的位错线通过攀移调控间歇转变的示意图（补充视频7）。比例尺：0.5 nm（b插图，g）。
5. 文章结论
失配位错在固态相变边界迁移过程中的动态作用是一个具有普遍意义的研究课题。本研究结果表明，失配位错阵列通过其固有特性对相变动力学施加了界面控制。以金属氧化为例，氧化物生长伴随的晶格剧烈变化通常会导致平衡态失配位错间距约为1-3 nm。如此高密度的失配位错使得金属/氧化物界面处的反应动力学控制显得尤为重要。
全文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04880-1
本文源自微信公众号：科学拾光
原文标题：《Nature突破：SUNY Binghamton原位TEM解密界面台阶流动的间歇性机制》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/dGliZ0y-OrwMQMabbZBiJg
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