本文發現：金剛石在<111>和<110>方向上進行單軸壓縮時，塑性主要由位錯在非密排面{100}的滑移決定！改寫教科書中關於面心立方（FCC）晶體沿{111}面滑移的傳統認識！
金剛石是最堅硬的晶體材料，具有極高的強度，帶隙可調範圍大，氮空位中心可控。這種獨特的材料在高壓科學、機械工業、電子和光子學設備，甚至生物醫學中都有廣泛的應用。然而，金剛石具有最強的C-C共價鍵導致其也是最脆性材料。金剛石在室溫下幾乎沒有可塑性，其脆性限制了在許多行業中的應用。幾十年來，瞭解金剛石的機械性能，尤其是其在室溫下的塑性變形機理一直是一個挑戰。
3月10日，燕山大學田永君院士團隊和浙江大學楊衛院士團隊採用通過自主研發的原位微納米力學裝置在室溫下對亞微米級金剛石柱進行了原位TEM測試。直接觀察了單晶金剛石在無限制壓縮變形下的室溫可塑性，並獲得了有關位錯的類型、結構和位錯運動的明確信息。相關論文以題為“Direct Observation of Room-Temperature Dislocation Plasticity inDiamond”發表在Matter。
論文鏈接：doi.org/10.1016/j.matt.2020.02.011
研究人員測試的Ib型單晶金剛石柱是由聚焦離子束（FIB）加工，氬等離子體減薄而製成的。研究發現，在壓縮過程中，由於應力集中，微柱子較細的頭部有一部分在厚的肩部處折斷，從而產生了一個新鮮而尖銳的（-1-11）斷面。進一步壓縮加載到剛斷裂的表面上，幾個半位錯環首先從斷裂面形成，在壓縮載荷的驅動下，這些半環隨後成倍增加並從尖端傳播到立柱的下部。這證明了室溫下壓縮過程金剛石中通常存在沿<111>方向產生位錯的普遍性。
圖1 壓縮過程中金剛石柱的演化
研究人員將壓縮的金剛石柱傾斜到各種雙束（two-beam）條件下，確定位錯的Burgers向量。經壓縮的納米柱可以清楚地區分不同滑移平面中的多個位錯陣列（α，β和γ）。在所有雙束條件下，位錯陣列α均可見；位錯陣列β只在g=[-111]時不可見；而陣列γ僅在g=[-1-11]可見。根據消光準則確定α，β和γ的Burgers向量分別為1/2[-101]，1/2[01-1]和1/2[110]。其他測試的金剛石柱中也證實了相同的1/2<110> Burgers矢量。
圖2 Burgers位錯向量的確定
圖3 金剛石納米柱中產生的位錯及其滑移平面的三維構型
為了明確所產生的位錯和晶格的滑動面，研究人員記錄了納米柱繞[111]軸從0°旋轉到180°各角度的TEM圖像。分析發現{001}<110>滑移系在受壓的<111>取向金剛石柱中被激活，塑性由{111} <110>滑移系統控制。進一步研究了金剛石納米柱在其他方向（包括<110>和<100>）的位錯行為，最終發現在
<111>和<110>取向壓縮時，1/2 <110>位錯主導了金剛石的塑性變形，而且是在非密排面 {100}滑移，而目前教科書中通常認為面心立方FCC晶體的位錯是沿{111}面滑移。研究發現密排面的{111}<110>滑移系僅在{100}平面的切應力為零的情況下才激活。這些發現打破了傳統認知。
圖4 不同加載方向下金剛石的位錯行為
加載過程的位錯運動視頻
研究對比分析了與金剛石相同晶格結構的<111>取向硅納米柱的原位壓縮，發現位錯在{111}平面中激活，與金剛石不同，但與典型FCC金屬中的觀察結果一致。金剛石中這種異常的位錯行為不僅與取向因子（Schmid因子）有關，還取決於其內在性質，例如晶格參數和C-C共價鍵。
研究人員通過分子動力學模擬分析了滑移過程的原子機理。發現相關的鍵斷裂和重新鍵合過程將五元環和七元環重新定位到相鄰位置，並實現位錯沿1/2[110]滑移。連續的鍵旋轉導致連續的位錯運動。
圖5不同載荷條件下的金剛石分子動力學模擬
綜上所述，金剛石在<111>和<110>方向上進行單軸壓縮時，塑性主要由位錯在非密排面{100}的滑動決定。傳統認知中，對於室溫下的FCC晶體，很少有人認識或考慮過這種滑移系統。此外，{111}平面中的典型位錯是在<100>取向的晶格上進行單軸壓縮生成的，這表明金剛石中的位錯行為與取向相關。（文：破風）
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