原位STEM观察晶粒旋转新视角！

【研究背景】

多晶材料是不同晶格取向的晶粒的聚集体，因其在再结晶、塑性变形和晶粒生长等领域的广泛应用而受到关注。与传统的单晶材料相比，纳米晶材料具有更优越的机械性能和更快的晶粒生长动力学，这使其在电子、能源和生物医药等领域展现出巨大的应用潜力。然而，这些材料在微观结构演化过程中也面临晶粒旋转和织构演化等挑战，影响其性能的稳定性。

近日，来自美国加州大学尔湾分校潘晓晴教授、香港大学David J. Srolovitz和香港城市大学韩健教授等人合作在理解纳米晶材料的微观机制方面取得了新进展。他们通过四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）技术，深入探讨了纳米晶材料中不连续性介导的晶粒旋转机制。研究发现，在晶粒生长过程中，晶界的不连续性运动显著影响了晶粒的旋转行为，这为揭示晶粒旋转与晶界迁移之间的统计相关性提供了新的视角。

该团队的研究显示，借助于原位高分辨率高角度环形暗场STEM（HAADF-STEM），可以定量关联每个晶界迁移事件与不连续性运动。这种方法不仅揭示了纳米晶材料中近刚体晶粒旋转的定量特征，还展示了不连续性在微观结构演化中的关键作用。研究结果表明，通过理解晶粒旋转与晶界迁移的耦合机制，显著提高了对材料性能的预测能力。这些发现为纳米晶材料的设计与优化提供了重要依据，有望推动新材料的开发与应用。

【表征解读】

本文通过最先进的原位四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）技术及高角度环形暗场STEM（HAADF-STEM）观察，揭示了在纳米晶薄膜中不连续性介导的近刚体晶粒旋转机制。研究表明，晶粒在退火过程中经历了显著的旋转现象，尤其是在晶粒生长和再结晶的过程中。这一发现不仅为理解微观结构的演化提供了重要的视角，还为优化材料性能奠定了基础。

针对晶粒旋转现象，本文通过定量的原子尺度表征，探讨了不连续性运动与晶粒旋转之间的微观机制。研究显示，不连续性作为晶界线缺陷，其运动对于晶粒的旋转起到了关键作用。通过高分辨率成像，作者得到了不连续性传播与晶界迁移之间的统计相关性，从而深入挖掘了晶粒旋转与晶界活动之间的内在联系。这种耦合机制的确认，为材料科学界对晶粒行为的理解提供了新的理论支持。

在此基础上，通过结合原位四维STEM和HAADF-STEM的多种表征手段，作者得出了晶粒旋转与晶界迁移的关系，进一步表明了不连续性在这一过程中所起的主导作用。这些实验结果不仅提升了作者对纳米晶材料中微观结构动态的理解，还展示了不连续性在控制晶粒旋转中的重要性。作者还进行了分子动力学模拟，以辅助实验结果的解读，验证了作者的结论在不同尺度下的适用性。

总之，经过上述多尺度表征，作者深入分析了纳米晶薄膜中晶粒旋转的机制，探讨了与之相关的各种微观现象。这一研究为设计和制备新型材料提供了重要的理论基础与实验依据，最终推动了材料科学在微观结构控制方面的进步。通过对不连续性及其与晶界活动的关系的深入理解，未来有望在合金、复合材料等领域开发出性能更优的新材料，进一步拓宽材料应用的可能性。

【图文速递】

图1：同时进行的GB迁移和晶粒旋转的原位观察 。

图2：断开运动和颗粒旋转的同步原子尺度观测 。

图3. 晶粒同时生长和旋转的微观结构尺度观察。

【结论展望】

本文的研究揭示了不连续性在近刚体晶粒旋转过程中的关键作用，提供了对纳米晶材料微观结构演化机制的深刻理解。这一发现不仅挑战了传统的晶粒旋转描述，还强调了多尺度原位电子显微镜技术在原子尺度机制研究中的重要性。通过定量关联晶界迁移与不连续性运动，研究人员揭示了晶粒旋转与晶界迁移之间的内在联系。这种剪切耦合的机制不仅有助于理解纳米晶材料的力学性能，还为新材料的设计和开发提供了理论基础，特别是在合金和高熵合金等复杂材料中。

此外，本研究所采用的多尺度实验方法，展示了在不同微观结构条件下探索材料行为的新视角，具有广泛的应用前景。未来的研究可以在此基础上，进一步探讨其他类型材料中的类似机制，以推动纳米材料和多晶材料的研究进展。

文献信息：Yuan Tian et al. ,Grain rotation mechanisms in nanocrystalline materials: Multiscale observations in Pt thin films.Science386,49-54(2024).DOI:10.1126/science.adk6384