[論文レビュー] Direct Observation of Room-Temperature Dislocation Plasticity in Diamond

Anmin Nie, Yeqiang Bu+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2020

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 28被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、一軸圧縮下における in-situ 透過電子顕微鏡を用いて、サブミクロンサイズのダイヤモンドピラーにおいて室温での不純物欠陥の塑性変形を直接観察した。非密-packed {001} および {111} 平面における混合型 1/2<110> 不純物欠陥の結晶方位依存性の活性化が明らかになった。これは、ダイヤモンドが室温で純粋に破壊的であるという長年の見解に挑戦し、共有結合結晶における塑性変形の理解を再定義するものである。

ABSTRACT

It is well known that diamond does not deform plastically at room temperature and usually fails in catastrophic brittle fracture. Here we demonstrate room-temperature dislocation plasticity in sub-micrometer sized diamond pillars by in-situ mechanical testing in the transmission electron microscope. We document in unprecedented details of spatio-temporal features of the dislocations introduced by the confinement-free compression, including dislocation generation and propagation. Atom-resolved observations with tomographic reconstructions show unequivocally that mixed-type dislocations with Burgers vectors of 1/2&lt;110&gt; are activated in the non-close-packed {001} planes of diamond under uniaxial compression of &lt;111&gt; and &lt;110&gt; directions, respectively, while being activated in the {111} planes under the &lt;100&gt; directional loading, indicating orientation-dependent dislocation plasticity. These results provide new insights into the mechanical behavior of diamond and stimulate reconsideration of the basic deformation mechanism in diamond as well as in other brittle covalent crystals at low temperatures.

研究の動機と目的

• ダイヤモンドが破壊的であるという評判にもかかわらず、室温で塑性変形を示すかどうかを調査すること。
• ナノスケールのダイヤモンドピラーに機械的応力を加えた状態での不純物欠陥ダイナミクスを直接観察すること。
• 室温におけるダイヤモンドの不純物欠陥塑性変形に関与する結晶学的平面およびすべり系を特定すること。
• 結晶方位が不純物欠陥の活性化および塑性応答に果たす役割を理解すること。
• 不純物欠陥を介した塑性変形の証明によって、ダイヤモンドが純粋に破壊的であるという従来の理解に挑戦すること。

提案手法

• 透過電子顕微鏡（TEM）内でのサブミクロンサイズのダイヤモンドピラーの in-situ 機械的試験。
• <111>、<110>、および <100> 結晶学的方向への一軸圧縮により、結晶方位依存性の塑性変形を調査した。
• in-situ TEMを用いた高分解能および原子スケールのイメージングにより、リアルタイムでの不純物欠陥核生成および伝播を捉えた。
• トモグラフィック再構成を用いて不純物欠陥構造のブルガースベクトルおよびすべり面の向きを特定した。
• 制御された負荷条件下での不純物欠陥の空間的・時間的発展を分析した。
• 電子回折および格子イメージングを用いて、塑性変形に関与するすべり系および結晶学的平面を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温におけるダイヤモンドで不純物欠陥塑性変形を直接観察できるか？
• RQ2 室温における一軸圧縮下で、ダイヤモンドで活性化される結晶学的平面およびすべり系は何か？
• RQ3 結晶方位（例： <111>、<110>、<100>）は不純物欠陥の活性化および塑性応答にどのように影響するか？
• RQ4 ダイヤモンドの塑性変形中に活性化される不純物欠陥の性質（例：ブルガースベクトル、種別）は何か？
• RQ5 バルクダイヤモンドに塑性変形が見られないのは、幾何的制約によるものか、不純物欠陥の移動能に内在的な制限があるからなのか？

主な発見

• 室温における一軸圧縮下で、サブミクロンサイズのダイヤモンドピラーで不純物欠陥塑性変形が直接観察された。
• <111> および <110> 輸送方向下で、ブルガースベクトル 1/2<110> の混合型不純物欠陥が、非密-packed {001} 平面で活性化された。
• <100> 輸送方向下では、不純物欠陥が {111} 平面で活性化され、結晶方位依存性の塑性変形が確認された。
• 原子分解能を有するトモグラフィック再構成により、不純物欠陥の存在および構造が確認され、ブルガースベクトルおよびすべり面の明確な同定がなされた。
• 結果として、ダイヤモンドが室温で不純物欠陥の運動を介して塑性変形を耐えられることを示したが、従来の信念とは対照的であった。
• これらの発見は、低温度でダイヤモンドが純粋に破壊的であるという長年の仮定に挑戦し、共有結合結晶における変形機構の再評価を示唆している。