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导读：众所周知，金刚石在室温下不发生塑性变形，通常发生脆性断裂。本文在透射电镜下对亚微米级金刚石柱进行了原位力学测试，研究了其室温位错塑性。史无前例地记录了由无约束压缩引入的位错的时空特征，包括位错的产生和传播。层析成像重建的原子分辨观察结果明确表明，在<111>和<110>的单轴压缩下，具有伯格斯矢量1/2<110>的混合型位错在金刚石的非密堆积{001}平面中被激活。方向分别在<100>方向载荷下在{111}平面中被激活时，指示与方向有关的位错可塑性。这些结果为金刚石的力学行为提供了新的见解，并促使重新考虑金刚石以及其他脆性共价晶体在低温下的基本变形机理。

金刚石是最坚硬的晶体材料，具有极高的强度，可调节的带隙和可控的氮空位。这种独特材料的这种特性在高压科学、以机械为基础的工业、电子和光子学设备，甚至生物医学等领域都有广泛的应用。然而，金刚石也是最脆弱的材料，由于最强C-C共价键。因此，金刚石在室温下几乎没有塑性，其脆性的特性在许多应用中受到了严重的限制。了解金刚石的力学行为，特别是室温下的塑性变形机制，几十年来一直是一个挑战。

金刚石的脆性-韧性响应是由裂纹尖端的格里菲斯裂隙和塑性剪切之间的竞争引起的。要实现金刚石中的位错滑移，首先必须打破强C-C共价键。在室温下，C-C共价键的断裂会导致在滑移前的解理断裂。此外，金刚石中存在的位错密度非常低，通常比金属中存在的位错密度低几个数量级。因此，在室温下解理前，金刚石不具有大的塑性变形。然而，材料的应力状态可能对其塑性变形行为起重要作用。理论研究表明，高静水压力能有效抑制金刚石微裂纹扩展，激活位错滑移。触发金刚石塑性变形的预计静水压力高达数百千兆帕斯卡，这可以通过在金刚石砧座中压痕和压缩来实现。实验上，在努氏压痕附近观察到{111}<110>滑移系统的位错。然而，不能排除这些位错在压痕之前存在于金刚石晶体中的可能性。由于缺乏直接证据，需要在现场观测，金刚石是否存在室温塑性已经争论了几十年。电子显微镜的原位力学测试技术的最新发展已经证明了在原位探测弹性变形和跟踪微观结构演变的可行性。

燕山大学联合浙江大学、美国芝加哥大学，利用透射电子显微镜(TEM)结合原子分辨TEM观察和三维图像重建，通过原位纳米压缩实验对金刚石的塑性变形进行了全面的研究。直接实时观察到金刚石中广泛的位错活动。展示了室温下金刚石纳米颗粒的位错可塑性，并且位错产生和传播的时空特征清晰可见。本文直接观察为金刚石的力学性能提供了明确的实验证据和新的见解，解决了金刚石在室温下塑性的长期争论。相关研究结果以题“Direct Observation of Room-Temperature Dislocation Plasticity in Diamond”发表在国际顶级期刊Matter上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.02.011

尽管金刚石具有极高的强度和硬度，但室温下其脆性极低。室温塑性在实验中很少观察到，一般认为不太可能发生，因为金刚石中的突变脆性断裂占主导地位。在此，通过在透射显微镜下原位力学测试，展示了室温下金刚石纳米颗粒的位错可塑性，在不同的加载条件下，{001}<110>和{111}<110>位错滑移体系都可以被激活。令人惊讶的是，虽然{111}<110>型更频繁地在大多数面心立方(FCC)晶体中观察到，但{001}<110>型滑移体系比{111}<110>型更容易激活。

图1压缩过程中金刚石纳米粒子的演化。(A)压缩前的金刚石纳米颗粒的亮场(BF) TEM图像；(B和C)原子尺度BF (B)和HAADF-STEM (C)金刚石纳米颗粒图像。(B)的插图显示金刚石纳米孔的锯齿状图案；插图(C)显示放大的原子尺度的钻石纳米粒子HAADF图像。(D)金刚石柱断裂的弱束暗场(DF) TEM图像。(E)在压缩载荷驱动下，从断口表面发射出位错半环。(F)位错半环传播和倍增。(G)激活了多个平面的位错。(F)的插图说明了半环的示意图

图2伯格斯位错矢量的确定。(A)沿[101]晶带轴在g=[11]双光束条件下拍摄的图像。(B和C)沿[112]晶带轴在g=[1] (B)和g=[1] (C)两束条件下拍摄的图像。（D）原子分辨的HAADF-STEM图像，显示原位变形后的位错核心。

图3金刚石纳米颗粒中产生的位错及其滑移面的三维构型。（A–D）压缩金刚石纳米柱在26 º（A），47 º（B），107 º（C）和176 º（D）处倾斜的DF-TEM图像。(E-H)原理图，显示位错和他们的滑行平面，在(A)到(D)中描绘的角度观察。

图4金刚石在不同加载方向下的位错行为。(A)在<110>方向(A1和A2)载荷作用下，金刚石中的位错被激活。将滑动平面旋转到其侧边视图(A3)并确定为(010)平面。(B)金刚石的位错在<100>方向(B1和B2)载荷作用下被激活。将滑动平面旋转到其侧边视图(B3)并确定为(111)平面。

图5确定初始塑性模式的弹性稳定性准则。(A)金刚石晶格沿[111]单向压缩的理论应力-应变曲线，其中第一次应力降出现在应变为27%时。(B)Λ(ω, n)三种扰动模式，即(100)[011]滑移系，(11) [011]滑移系，和(11)解理。(C)三种松弛模式对应的弹性模量和解析应力。下标表示对应的(ω, n)。

图6 基于密度泛函理论的金刚石分子动力学模拟不同加载条件下。（A）弛豫后在（001）平面中包含具有伯格斯矢量1/2[110]的边缘错位的菱形晶格模型。位错核心突出显示。(B)裂纹在纯剪切应变为3.7%的情况下开始，由位错核边缘处的C-C键断裂可见。突出显示缺陷区域。(C)在静水压力为400 GPa [(C1)和(C2)]下，在11.7%的剪切应变驱动下，沿位错在[001]平面上由一个汉堡矢量滑移。红色和黄色突出了位错核心位置前后在一个伯格斯矢量，如箭头所示。(D) (C1)和(C2)中的晶格重叠，显示位错滑移机制。位错芯分别以红色和黄色突出。两个箭头表示C原子的主要位置变化，其特征为键旋转过程

综上所述，本文直接观察到了金刚石单晶在无围压变形条件下的室温塑性，并且得到了所产生的位错的类型、结构和运动的明确信息。金刚石中已识别的塑性主要是位错在非封闭状态下的滑移{100}面分别在<111>和<110>方向的单轴压缩下。这种滑移系统很少被认可或考虑用于室温下的FCC晶体。此外，在<100>取向的晶格上单轴压缩产生{111}晶格中的典型位错，表明金刚石中的位错取向行为。该新结果和当前工作中发展的技术可以扩展到理解其他脆性共价晶体的变形行为。