東京大學最新《Nature》子刊：結構轉變過程中摻雜原子的兩步晶界擴散機制

近日，東京大學Yuichi Ikuhara教授團隊研究發現，Ti原子在氧化鋁晶界的擴散與偏析會誘導該晶界發生原子級結構轉變，這一轉變進而顯著提升了其擴散傳輸能力與溶質偏析容量。該研究揭示了晶界內偏析-相變-擴散三者之間存在的復雜耦合關系，為基于晶界工程的材料設計與性能調控提供了新思路。

該項成果以“Two-step grain boundary diffusion mechanism of a dopant accompanied by structural transformation”為題發表在Nature Communications。東京大學（現哈爾濱工業大學副教授）楊楚楚博士為論文第一作者，東京大學Yuichi Ikuhara教授、Bin Feng副教授為論文通訊作者。

晶界作為多晶材料的特征界面，其獨特的原子排列導致溶質在材料加工過程中更易沿晶界擴散并發生局部偏析，這種效應使得摻雜成為調控材料性能的重要手段。傳統晶界擴散理論多建立在晶界結構的靜態簡化模型之上，因而難以揭示擴散過程中界面原子構型的動態演化規律。最新研究表明，晶界結構在晶界遷移、溫度變化或組分偏析等條件下會發生動態轉變，暗示溶質擴散過程實際上與晶界結構變化相互耦合，然而晶界結構變化對擴散能力的影響機制目前尚不明晰。

本研究利用原子分辨率掃描透射電子顯微鏡（STEM）結合X射線能譜（EDS）技術，直接追蹤擴散過程中晶界原子結構演變與化學分布變化，揭示了一種具有臨界Ti偏析濃度的兩步晶界擴散機制。值得注意的是，轉變后的晶界結構中擴散系數出人意料地提升了一個數量級，這一發現為理解晶界相變、偏析與擴散行為之間的耦合關系提供關鍵依據。

圖1.不同擴散深度處晶界原子結構與化學分布。a-g不同Ti擴散深度下的HAADF STEM圖像及對應的Al K與Ti K能譜面分布圖。h藍色箭頭右側數值表示Ti擴散深度，對應于a-g圖中晶界位置。ST標示結構轉變位置。i晶界擴散過程中觀察到的晶界結構單元。

圖2.結構轉變區晶界原子結構與化學分布。a-b結構轉變區的HAADF STEM圖像及對應的結構單元。a中白色垂直箭頭指示摻雜原子擴散方向。b中紅色水平箭頭標示兩種不同結構間形成的晶界相結。c-d結構轉變區對應的Al K與Ti K能譜面分布圖及對應的結構單元。b與d中黃白虛線分別標示結構變化前后的晶界平面位置。

圖3.晶界偏析能與晶界結構穩定性。a與c，分別表示非對稱與對稱晶界中沿[0001]方向各原子柱的平均Ti偏析能。b與d，分別為擴散深度1.49微米處非對稱晶界與1.36微米處對稱晶界的HAADF STEM圖像及對應的Ti能譜面分布圖。e，晶界能隨Ti濃度的變化關系。黃色區域標示實驗測得的結構轉變區Ti濃度（2.4±0.2 nm?2）。

表1.晶界擴散參數

總結與展望：

本研究革新了對摻雜元素晶界擴散行為的基礎認知：首次證實即使單一晶界也存在伴隨結構轉變的復雜擴散過程，且該轉變會引致擴散系數劇變，凸顯了原子結構在描述晶界擴散過程中的關鍵作用。通過結合掃描透射電子顯微鏡技術，實現了傳統方法無法企及的擴散前端原子結構直接解析。鑒于晶界結構轉變在多類材料體系中普遍存在，本結論具有廣泛適用性。最后，研究揭示了慢擴散前端實為全過程擴散速控關鍵，這為通過晶界結構工程定向調控擴散速率提供了全新途徑。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。