镍铋合金普通晶界结构认知研究获突破厦门10月9日电 ( 徐丽麟)厦门一高校教

多晶金属和陶瓷的性质与其晶界的结构和组成密切相关。合金元素，掺杂剂和杂质通常以比颗粒内部更高的浓度存在于晶界，这种作用称为晶界偏析或吸附。由于合金元素和杂质优先聚集在晶界处，材料的性质有时会发生实质性的变化。双晶的研究表明，由于在高对称边界处的这种溶质偏析的结果，通常会出现规则的原子图案，但是不知道超结构是否存在于多晶体中的一般晶界处。

2017年10月6日，《Science》在线发表了以厦门理工学院喻志阳博士为第一作者的研究论文，精确解析了铋（Bi）原子在镍（Ni）大角度非共格普通晶界上的原子结构，该研究成果突破了传统物理冶金界对普通晶界结构的认知，首次指出了普通晶界可以存在有序超结构。这一结果受到国内外专家广泛关注：美国物理学会会士（APS Fellow）、知名材料专家张文清教授，国家杰出青年基金获得者、界面专家上海大学顾晖教授，中国科学院物理研究所电镜专家、教育部青年长江学者和优青获得者谷林研究员，中组部青年千人、北京大学电镜中心副主任高鹏研究员等对该论文进行了精彩点评和高度评价。

该项成果是喻志阳博士所在团队历时5年，从20G数据、1万余张电镜照片的海量信息中，经过无数次模型试验后取得的重大学术成果。

【研究成果简介】

图1. 铋在镍大角度普通晶界上形成超结构。主图显示了普通晶界的三维原子构型，插图显示了在两个高指数晶界面上形成超结构的HAADF-STEM图像。

图2. 铋在镍{100}晶界面上形成有序超结构。(A) 普通晶界上{100}-C(2x2)超结构的原子模型示意图。（B）图A对应的实验HAADF图像，插图显示了超结构的原子模型。

图3. 低指数晶界面形成铋有序超结构。(A-D) {100}晶界面上C(2x2）超结构的原子模型顶视图、侧视图、实验HAADF图像与平均HAADF图像；（E-H）{110}晶界面上C(2x2）超结构的原子模型顶视图、侧视图、实验HAADF图像与平均HAADF图像；（I-L）{111}晶界面上(8x8）超结构的原子模型顶视图、侧视图、实验HAADF图像与平均HAADF图像。

图4. Ni-Bi体系自由表面和晶界的第一性原理计算。（A-C） Ni{100}、{110}和{111}表面上不同有序超结构的稳定性研究；（D）非弛豫Ni{100}-(1x1)结构之电荷密度图；（E）Ni{100}-C(2x2)结构之电荷密度图；（F）Σ5-(120)人工双晶之电荷密度图。

图5. 铋在高指数晶界面上形成超结构。(A)(759)晶界面的STEM-HAADF照片。注意Bi-Bi原子间距远大于紧邻Ni-Ni原子间距；铋在(111)平台上形成3Bion 7Ni有序超结构。(B)对应原子构型示意图。

【国内外专家的高度评价】

美国物理学会会士（APS Fellow），南方科技大学张文清教授的点评：

这是一篇非常重要也非常有趣的工作。对于实际材料中无处不在的晶界，过去几十年晶界研究，仅有的基本概念是共格晶界，殊不知这只是对于适用于小角晶界，不适用于普遍存在的材料界面主体的大角度非共格普通晶界。本工作的一个重要方面是结合精细表征和计算，以Bi掺杂的Ni晶界为对象，第一次发现了大角度普通晶界中通过偏析诱导的“重构”可以形成长程有序相，改变大角晶界中两个邻近的富铋层的对称性和匹配特性，从而稳定了大角度晶界。该工作实质上突破了界面晶向的取向差稳定晶界结构的传统观点，对于建立普适性的晶界理论具有非常重要意义。

国家杰出青年基金获得者、上海大学顾晖教授的点评：

“金风玉露一相逢，更胜却人间无数”。在这个金秋时节，这一跨越多尺度关系的相逢，发生在晶界微观研究更为源远流长、材料工程化问题更为集中和关键的金属体系。厦门理工学院的喻志阳博士运用球差电镜，系统和规律性解析了掺杂物在镍金属晶界的偏析结构和脆断行为，尤其是突破了传统局限与对称性晶界的壁垒，发现了在更具代表性的普通晶界上液态铋可以构造出不同形态的有序超结构。发表在今天Science杂志上的这一最新成果，不但将晶界结构研究带入了更为广阔的施展空间，而且对从材料学本质上来区分界面热力学与界面动力学这一对难分难解的孪生兄弟之功能、作用及范畴，产生积极意义。

中国科学院物理研究所电镜专家、教育部青年长江学者谷林研究员的点评：

喻志阳博士研究了铋（Bi）掺杂的镍（Ni）合金中各种类型的普通晶界，并进行了深入的原子尺度晶界成像分析和第一性原理模拟，精确解析了Bi原子在大角度非共格普通晶界上的原子结构，最终确认了双层界面相中普遍存在有序超结构，这一发现挑战了普通晶界中偏析原子不存在长程有序的传统观点。

厦门理工学院的喻志阳博士展示了精湛的透射电镜技巧，使用球差矫正电镜深入解析多个普通晶界中所有晶界面的原子构型，结合第一性原理计算获得了原子排布的共性规律：Bi原子倾向于在晶界面上形成有序超结构，且原子排列主要取决于两晶粒各自的晶界面，而非传统观点认为的界面晶格失配。这一成果揭示了普通晶界的一种新组态，丰富了传统物理冶金界对普通晶界原子结构的认识。

中组部青年千人、北京大学电镜中心副主任高鹏研究员的点评：

厦门理工学院的喻志阳博士与合作者们用研究了镍（Ni）-铋（Bi）合金中大角度非共格普通晶界的原子结构，发现了铋原子在晶界上偏析，从而形成有序的超结构，并且这些超结构取决于晶界面指数而非界面取向差。结合第一性原理计算，能够阐明形成的超结构是更稳定的相。这些发现具有非常重要的意义，指出普通晶界可以像自由表面一样，通过重构形成有序的偏析元素超结构，为液态金属脆变现象提供了解释，即晶界上的成键是较为微弱的Bi-Bi键，而不是Ni-Ni键。这些发现有助于我们理解大角度非共格晶界结构和物性，为晶界工程提供了重要的信息。

也许更为重要的是该研究提供了两个有趣但与传统观点不同的科学视角：其一、偏析原子在普通晶界上也可通过“重构”形成长程有序相，分别改变了两个富铋层各自的两维平移对称性（并将晶界上较强的Ni-Ni键取代为极弱的Bi-Bi键，从而引发了极端的液态金属脆变）；其二、该研究中晶界相结构更多地取决于两晶粒各自的晶界面，而不是传统观点认为的界面晶向差（mis-orientation）。这些发现加深了科学界对大角度非共格晶界结构的基本理解，丰富了传统物理冶金学理论。

【喻志阳博士简介】

喻志阳，2006年清华大学材料系本科毕业，2011年获得清华大学工学博士学位，导师为我国电子显微镜先驱、中科院院士、清华大学朱静教授。2011年-2015年在美国Lehigh大学材料系从事博士后研究，课题为金属和陶瓷晶界相的球差校正电子显微镜表征，合作导师为国际知名陶瓷专家MartinHarmer教授和Helen Chan教授。2016年加入厦门理工学院材料科学与工程学院，现任副教授。

原文：Segregation induced ordered Bi superstructures in a Ni-Bialloy

DOI: 10.1126/science.aam8256

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