在国家自然科学基金的支持下，燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室高压科学中心田永君院士团队与美国芝加哥大学王雁宾教授合作，在室温条件下实现了原子分辨的金刚石晶界结构转变和迁移过程的原位观测，揭示了金刚石非共格孪晶界(ITB)的结构特征、原子迁移和界面稳定化的微观机制。研究成果于2024年1月3日在线发表于《自然》杂志（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06908-6，Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond）。
业已证明，纳米孪晶化是协同提高材料强度和韧性的有效手段和策略。通常，在面心立方结构材料当中形成大量共格孪晶界的同时，不同取向孪晶之间将伴随着Σ3{112}ITB的形成。在金属材料中，这种ITB界面可长距离迁移，迁移速度在纳米尺度随孪晶厚度减小而迅速增大，诱发材料去孪晶化的发生，这也是纳米孪晶结构金属材料在小于临界孪晶厚度发生软化的关键机制。但是，纳米孪晶立方氮化硼和纳米孪晶金刚石在纳米尺度却持续硬化，这一点与金属材料完全不同。这表明共价材料中Σ3{112} ITB稳定性要明显高于金属材料。探明这种高稳定性的物理起源，对于理解纳米孪晶金刚石的持续硬化机制、发展高性能纳米孪晶结构材料具有重要的科学意义。
为此，研究人员使用球差校正扫描透射电子显微镜系统地研究了纳米孪晶金刚石Σ3{112} ITB的界面结构，并借助电子辐照荷电效应所产生的机械应力，原位记录了室温下ITB界面的结构转变和迁移的动态过程。实验发现：纳米孪晶金刚石中的Σ3{112} ITB呈现6种构型，其中3种为镜面对称，3种为非镜面对称；镜面对称构型可以进行长距离快速迁移，与金属材料类似；而非镜面对称构型则以剪切耦合模式进行短距离迁移；在应力作用下，虽然不同构型的ITB可以通过位错介导机制相互转变，但非对称构型与对称构型之间转变的势垒较高；纳米孪晶金刚石中Σ3{112} ITB主要以低能量、低迁移率的非对称构型存在，即便在孪晶厚度低至约1 nm时依然如此，从而导致了纳米孪晶金刚石的持续硬化行为。结合旋进电子衍射和分子动力学模拟结果，研究人员发现界面结构转变所需的激活应力接近于金刚石中全位错启动所需的临界剪切应力，从而揭示了纳米孪晶金刚石中Σ3{112} ITB高稳定性的结构起源。
这项工作不仅揭示了晶界的构型、相变和迁移与材料化学键类型的关联，而且还加深了人们对纳米孪晶金刚石持续硬化行为的理解。该工作得到国家自然科学基金(U20A20238, 52288102, 52090020, 91963203)、国家重点研发计划(2018YFA0703400, 2018YFA0305904)、河北省自然科学基金(E2022203109）等项目的资助。仝柯博士后、张祥和李子鹤博士为共同第一作者，胡文涛研究员、徐波教授和田永君院士为共同通讯作者。
纳米孪晶金刚石中{112}非共格孪晶界的结构转变。a，纳米孪晶金刚石中典型晶粒形貌；b-e，位错介导的界面结构转变。
