近日,金属所沈阳材料科学国家(联合)实验室固体原子像研究部博士杨志卿、研究员叶恒强基于位错芯局域原子排列和准晶团簇两者间结构之间相似的五次旋转对称性,提出了晶体中的位错可能作为二十面体团簇的形核点,进而诱发准晶固态析出的研究构想。相关研究成果发表在《自然-通讯》上。 该研究利用扫描透射电子显微术系统地研究了Mg-Zn二元合金中Zn原子在位错芯处的偏聚和局域结构演化,发现沿位错形成的析出相不是MgZn2、Mg4Zn7等拓扑密堆晶体相,而显示准周期性的类Penrose随机拼接结构。该新型二元准周期析出相的结构单元为由13个原子构成的二十面体,远小于其他准晶中的Bergman团簇(136个原子)和Yb-Cd团簇(158个原子);而且需要特别指出的是,已知的所有Mg-Zn二元晶体相都非准晶的近似晶体相。偏聚到位错芯处的部分Zn原子首先进入相邻五元环之间的间隙位,形成沿[0001]方向的间隙原子柱;随后,五元环上的原子发生结构弛豫和重组,产生以[0001]间隙原子柱为中心的二十面体串。新型准晶内的部分二十面体串上沿轴向堆垛的相邻五元环分别由5个Zn原子或5个Mg原子组成,显示理想的五次旋转对称性。相邻二十面体串通过共边或共面的方式组成72°四棱柱和扁六棱柱,它们绕5个方向随机地平行拼接起来,形成具有类Penrose拼接结构的准周期析出相。随机拼接结构能最大化体系的熵密度,使得新型二元Mg-Zn准周期析出相具有良好的结构热稳定性,在340℃仍不发生结构失稳。 该研究不仅发现了一种新型由超小结构单元构成的二元准周期结构,而且阐明了晶体缺陷造成的局域对称性破缺和准周期结构析出之间联系的微观机理,拓展了晶体缺陷与准周期性结构形成的研究内容。所观察到的新型结构显示局域五次对称性,虽然仍非理想Penrose准晶,但目前的研究结果可为揭示三维理想准晶的形成机理提供有益的参考。研究中关于准周期结构形核阶段的部分低压电镜研究工作在美国橡树岭国家实验室完成针对由二维类Penrose拼接结构准晶向三维理想准晶转变的研究正在进行中。 该研究得到了国家自然科学基金委面上项目、重大项目,中科院前沿科学重点研究计划的资助。
论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-018-03250-8
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