中国学者合作发现金刚石室温位错诱导塑性变形丨CellPress对话科学家

金刚石被广泛应用于机械、半导体、冶金、油气开采、珠宝和航空航天等行业和领域，是不可或缺的战略性材料。尽管金刚石被认为是自然界最硬的材料，但块体形变困难和脆性断裂等问题严重阻碍了金刚石的实际应用。由于金刚石极硬、脆的特性，金刚石无论在样品加工，还是在力学性能测量方面都具有很大的挑战性，其微观形变机制亦存在不少争议。

燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君院士团队与浙江大学交叉力学中心杨卫院士团队合作，凭借自主研发的原位微纳米力学实验平台，成功实现了单晶金刚石微纳柱体的单轴压缩。

在室温下原位观察到了单晶金刚石位错主导的塑性变形，解答了长久以来关于金刚石是否存在室温塑性的争议。通过对金刚石微纳柱体内产生的位错网络进行三维重构和原子分辨下的位错芯成像，发现在<111> 和<110> 取向压缩时普遍产生{100}面位错滑移，而在<100>方向压缩时才产生通常的{111}面位错滑移。金刚石中的位错产生强烈依赖于加载方向。由于化学键的强共价性和方向性，金刚石的位错行为与Cu、Au、Ag和Si等其它面心立方晶体完全不同，这一发现将改写教科书中关于面心立方晶体位错沿{111}面滑移的基本知识。

相关结果于3月10日，发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上。

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图1 室温下<111>取向金刚石纳米柱原位压缩塑性形变测量

(a)  压缩前金刚石纳米柱TEM暗场像

(b)  位错在金<111>取向金刚石纳米柱内产生和演化

(c)  位错芯原子像

(d)  金刚石纳米柱中位错网络的三维重构

图2  金刚石纳米柱的加工和原位压缩

研究人员利用聚焦离子束微纳加工技术，结合氩等离子体吹扫制备了表面光滑、无内部缺陷的单晶金刚石纳米柱，并利用自主研发的原位力学测试样开展了金刚石纳米柱原位压缩实验。

图3  利用双束系列倾转标定位错柏格斯矢量和原子分辨位错芯结构

图4  通过180°旋转揭示了金刚石中位错网络的三维结构

研究团队自主研制的原位样品台采用燕山大学自主研发的世界上最硬的纳米孪晶金刚石制作压头，可对金刚石样品施加牛顿量级的载荷，使之发生屈服，并且可实现屈服样品的360度三维空间重构，实现了金刚石中位错网络的三维空间分布的精细表征。实验结果表明当压缩沿着<111>和<110>方向时，金刚石会产生柏格斯矢量为½<110>的混合型位错，且在非密排的{100}面上滑移，这完全不同于教科书中的基本常识—面心立方晶体中位错沿{111}面滑移。

该研究工作一方面确认了在最硬、最脆的金刚石中也可以通过激发位错产生塑性，另一方面发现了纯共价晶体金刚石室温下位错在{100}面上滑移的奇异现象，打破了面心立方晶体沿最密排{111}面滑移的传统认知。

浙江大学交叉力学中心自主研发了四自由度纳米操纵平台，将纳米操纵、动态观察与三维重构有机的结合在一起，实现了原位加载观测动态微结构演化与微结构的三维解析，为金刚石变形机制研究提供了切实可行的实验手段。

图5  浙江大学交叉力学中心自主研发的四自由度纳米操纵平台

Cell Press细胞出版社微信公众号特邀请本文通讯作者之一的田永君院士进行了专访，请他代表团队进一步为大家深入解读。

作者专访

Cell Press：这项“将改写教科书”级的研究将对金刚石的实际应用产生哪些影响?

田永君院士：您说得很对，这个发现的确将会改写教科书的相关内容，主要集中在两个方面：一是关于金刚石的室温塑性问题。这是一个困惑大家很久的疑问。由于金刚石是已知材料中最脆的材料，这一点毫无争议，所以教科书经常指出“金刚石不能发生室温塑性变形”。二是关于面心立方晶体的滑移系问题。这是材料科学的基础知识，经常出现在各类试题当中。金刚石就是面心立方结构。当我们翻开教科书时，“在面心立方晶体中，位错沿最密排的{111}面滑移”这样的描述经常会映入大家的眼帘。我们这次的发现不仅说明金刚石在微纳尺度上具有位错滑移诱导的室温塑性，而且位错滑移可以在非密排面上发生，位错到底在密排面上还是非密排面上滑移将取决于加载方向。

至于对金刚石实际应用的影响，我想可能也体现在两个方面：首先是在微纳机械领域。金刚石在硬度、强度和耐磨性方面具有其他任何材料都无法比拟的优势，遗憾的是材料本身太脆，无法作为运动构件加以使用。我们的发现表明，微纳尺度金刚石单晶已表现出一定的塑性变形能力。可想而知，纳米孪晶结构金刚石在微纳尺度将会具有更大的、令人期待的塑性变形能力，这将大幅度提高金刚石运动构件的可靠性，也为超长寿命、永不磨损的微纳机械的研发提供了可能。 二是在超硬刀具的应用领域。商品化的单晶和聚晶金刚石刀具在现代加工业中发挥着不可替代的作用。由于金刚石的本征脆性，这类刀具在使用过程中会发生刀刃的局部解理断裂，严重影响刀具寿命和工件表面的加工质量。这次的发现为未来通过组织结构调控赋予金刚石材料更高的韧性和塑性，进而提高刀具寿命和加工质量提供了新的策略。

Cell Press：研究过程中是否遇到技术难题,是如何攻克的?

田永君院士：当然，我们的确遇到了非常大的困难或者说是技术瓶颈！致使我们的相关研究工作推迟了至少五年。事情是这样的，金刚石是已知材料中最硬、最强的单晶材料。金刚石的维氏硬度约100 GPa；在<100>方向上的理想压缩强度约220 GPa，在<110>和<111>方向上的压缩强度高达470 GPa。看到这些数据，您自然会想像到其微纳样品加工和力学性能原位测量有多难，尤其是力学性能的原位测量。这里，我就谈谈在透射电镜室中进行微纳样品力学性能的原位测量问题。理论上讲，要沿<100>和<111>方向驱动一个直径为500纳米金刚石柱体的塑性变形，分别需要施加40 mN和90 mN以上的压应力。大家知道，透射电镜样品室很小，力学加载装置必须微型化，极大限制了加载装置的驱动力。商业化原位样品台通常采用单晶金刚石制成的压头进行加载，所施加的最大载荷目前也只有约1.5 mN，与我们的预期要求相差甚远。

另外，商品化的单晶金刚石压头在加载过程中还经常发生解理断裂，难以实现稳定的加载和性能测量。幸运的是，杨卫院士领衔的浙江大学交叉力学中心在这方面有长期积累，为这一发现做出了突出贡献。中心的王宏涛教授自主研发出了大载荷、高精度、精巧的四自由度纳米操纵平台，我组的聂安民教授采用组里自主合成的、世界上最硬的纳米孪晶金刚石制成了压头，由于纳米孪晶金刚石具有超高的压缩强度和韧性，确保了样品压缩实验的稳定性，两方面结合起来，对样品施加的最大载荷提高了近3个数量级，最终我们才幸运地突破了这个技术瓶颈。

Cell Press：该研究使用了哪些新技术？

田永君院士：在样品制备方面，我们采用了聚焦离子束（FIB）加工结合等离子吹扫制备技术，确保了金刚石纳米柱的表面洁净度，将高能离子束轰击引起的无定形碳限制在样品表面2纳米以内，最大限度地消除无定形碳的影响。在测试方面，采用浙江大学交叉力学中心自主研发的大载荷、高精度的四自由度纳米操纵平台，一方面在透射电镜中实现了精密的原位力学加载，另一方面在透射电镜狭窄样品室内实现了样品360度的旋转，再利用三维重构技术最终得到了金刚石中位错网络的三维空间立体分布。

Cell Press：来自燕山大学和浙江大学的两个团队是如何沟通协调开展合作的？是否有哪些心得体会可以与广大材料科学研究群体分享？

田永君院士：杨卫院士是我国著名的断裂力学专家，也是我非常尊敬的前辈、老师和学者。他领导的团队长期从事材料细观与纳米力学方面的研究工作，学术积淀深厚。早在2013年，杨卫院士担任国家基金委主任时曾来燕山大学考察过我们课题组，当时我们就有意开展合作研究。

论文的第一作者聂安民教授，曾在杨老师和王老师指导下于浙江大学获得博士学位，他2018年加盟课题组后，成为我们两个团队开展实质性合作的契机和桥梁。从此，我们两个团队的主要成员经常在一起讨论共同关心的科学问题和实验技术需求。这样的坦诚交流碰撞出了许多思想火花，双方受益颇多。随着合作的逐步深入，我们对两个团队未来在强共价固体微纳力学领域开展合作研究的目标和规划也达成了初步共识。在充分发挥两个团队特长的基础上实现了优势互补，合作自然就陆续开展起来，进展非常顺利，这也得益于两个团队的学科交叉、技术互补和良好的协商沟通。

第一作者和通讯作者介绍

关于 聂安民 教授

聂安民，燕山大学教授，2012年在浙江大学获得固体力学博士学位。2012至2016年分别于美国密歇根理工大学和伊利诺伊大学进行海外博士后研究。2016年获得上海市“东方学者”特聘教授和上海市“青年拔尖人才”称号。

致力于发展和应用原位高分辨透射电镜技术，在原位加载装置设计、超硬和储能材料的微纳米力学问题和构效关系研究中取得了系列创新性成果。至今已在Science、Nano Lett.、Nature Comm.等期刊发表SCI论文90余篇，他引1500余次。研究成果被Nano Today、Science Daily、Discovery News等多家媒体杂志评述和报道。

关于 卜叶强 博士

浙江大学交叉力学中心博士生。致力于利用原位透射电子显微技术在纳米及原子尺度研究金刚石、立方氮化硼等超硬材料的力学行为，探究强共价固体微观结构与材料性能的关系，阐明其变形的微观机制。

关于 王宏涛 教授

王宏涛，浙江大学求是特聘教授，浙江大学交叉力学中心执行主任，杰出青年基金获得者,曾获第十五届中国力学学会青年科技奖。

一直致力于将国家重大需求与基础研究结合，在纳观及原子尺度探究材料微观结构与宏观性能的力学关联，创新发展微纳米力学原位实验方法、技术以及计算模拟方法。所开展的实验方法、技术及理论研究工作获得了国内外的学术认可与好评，相关成果已应用于国防重点单位和企业。

关于 杨卫 院士

杨卫，固体力学家，中国科学院院士，美国工程院外籍院士，俄罗斯宇航科学院院士，第三世界科学院院士。

研究方向为微/纳米力学，断裂力学与本构理论，智能材料与结构的力学，航空航天结构与材料等。从事宏微观断裂力学、细观与纳米力学、力电耦合失效等领域的研究。国家教委科技进步一等奖3项，国家教委科技进步二等奖；国家教委科技进步一等奖，国家自然科学三等奖 两项。曾获美国工程力学学会Warner T. Koiter奖、国际工程计算与实验大会Eric Reissner奖，何梁何利奖、周培源力学奖等。学术专著《宏微观断裂力学》1996年获得中国人民解放军优秀图书奖。出版中英文学术著作10种，发表学术论文200余篇。

关于 田永君 院士

田永君，材料科学家，中国科学院院士，发展中国家科学院院士。燕山大学材料科学与工程学院教授。1984年毕业于哈尔滨科学技术大学，1994年于中国科学院物理研究所获得博士学位。1996年作为洪堡学者在德国Jena大学从事两年合作研究。2000年受聘为教育部长江学者奖励计划特聘教授。2002年获得国家杰出青年科学基金。任Science China Materials副主编，Journal of Materials Science & Technology、Journal of Materiomics等期刊编委。

主要从事新型亚稳材料的设计与合成研究，并在超硬材料研究领域取得了突破性进展。在Nature, Sci Adv, PNAS, PRL, JACS, Adv Mater等国际学术期刊发表SCI论文290余篇。2009-2017年国家基金委“新型亚稳材料的设计原理、实验合成与结构调控”创新群体学术带头人。获国家自然科学二等奖1项（2011）、陈嘉庚技术科学奖（2018）和教育部自然科学一等奖2项（2000，2008），国内外发明专利15项。研究成果分别入选2013年度和2014年度中国科学十大进展和中国高等学校十大科技进展。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Direct Observation of Room-Temperature Dislocation Plasticity in Diamond

论文网址：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30073-4

DOI: 

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.02.011

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