晶界是晶體材料中重要的缺陷之一。人們普遍認為在塊體晶體材料中小角晶界（取向差小于15°）由位錯墻構(gòu)成，而大角晶界（取向差大于15°）則以結(jié)構(gòu)單元而不是位錯的形式存在。隨著晶體材料的尺寸逐漸減小，大量存在的表面對材料的結(jié)構(gòu)和變形行為會產(chǎn)生顯著影響。

近日，中國科學(xué)院金屬研究所固體原子像研究部杜奎研究組與先進炭材料研究部李峰研究員、非平衡金屬材料研究部金海軍研究員等人合作，利用原位像差校正高分辨透射電鏡、旋進電子衍射和定量應(yīng)變分析，在尺寸小于10納米的金納米線中發(fā)現(xiàn)晶界結(jié)構(gòu)存在顯著的尺寸效應(yīng)，該尺寸效應(yīng)能有效地提高納米線的力學(xué)及導(dǎo)電穩(wěn)定性。這一研究揭示了超納尺度金屬材料中晶界結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)及行為。

研究結(jié)果表明，當納米線直徑大于10納米時，取向差小于15°的晶界以位錯型(DGB)形式存在，而取向差大于15°的晶界以結(jié)構(gòu)單元型(SGB)存在，與塊體材料相似。隨著納米線直徑減小到10納米以下， 位錯型與結(jié)構(gòu)單元型晶界的臨界取向差將大于15°并且隨納米線直徑減小而增大。當納米線直徑為2納米時，取向差為28.6°的大角晶界仍然以位錯型的形式存在。定量應(yīng)變分析發(fā)現(xiàn)，位錯型晶界的周圍存在明顯的彈性應(yīng)變場而結(jié)構(gòu)單元型晶界周圍沒有，這使得位錯型晶界的寬度明顯寬于結(jié)構(gòu)單元型,這個特征可以用來區(qū)別這兩種晶界。原位像差校正電子顯微學(xué)研究表明，尺寸效應(yīng)形成的位錯型晶界可以在外加應(yīng)力作用下以位錯墻滑移的方式進行晶界遷移，從而避免了傳統(tǒng)大角晶界的晶界滑移,這有效地提高了納米線的力學(xué)穩(wěn)定性。原位透射電鏡形變和電學(xué)測量結(jié)果表明，納米線中位錯型晶界導(dǎo)致的電阻增加遠低于結(jié)構(gòu)單元型晶界，這也提高了納米線的導(dǎo)電穩(wěn)定性。這一原子尺度的原位定量電子顯微學(xué)研究揭示了超納尺度小尺寸金屬材料中晶界結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)，這一效應(yīng)同時提高了材料的力學(xué)及電學(xué)穩(wěn)定性，因而可能為微電子互連以及納米器件的設(shè)計提供新的思路。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目的資助。

相關(guān)論文近日在線發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。