[논문 리뷰] Direct Observation of Room-Temperature Dislocation Plasticity in Diamond

Anmin Nie, Yeqiang Bu외 11명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 14.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 28인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 축축한 압축 하중 조건에서 실시간 투과전자현미경(TEM)을 이용해 초미세 다이아몬드 기둥에서 실온에서의 변형계란 불변성의 직접 관찰을 수행하였다. 비밀도 평면 {001} 및 {111}에서 혼합형 1/2<110> 변형계란이 결정 방향 의존적으로 활성화됨을 규명하였으며, 이는 다이아몬드가 실온에서 순수하게 연성임을 오랫동안 간주해온 관념을 도전하고, 공유결합 결정에서의 변형거동 이해을 재정의한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다이아몬드가 연성 파손의 특성을 지닌 것으로 알려져 있음에도 불구하고 실온에서 변형거동을 보이는지 조사하기 위해.
• 기계적 하중 조건에서 나노스케일 다이아몬드 기둥 내 변형계란 역학을 직접 관찰하기 위해.
• 실온에서 다이아몬드의 변형계란 불변성에 관여하는 결정학적 평면과 미끄럼계열을 규명하기 위해.
• 결정 방향이 변형계란 활성화 및 변형 반응에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 변형계란을 통한 불변성의 직접적 증거를 제시함으로써, 다이아몬드가 순수하게 연성임을 오랫동안 간주해온 관념을 도전하기 위해.

제안 방법

• 투과전자현미경(TEM) 내에서 초미세 다이아몬드 기둥의 실시간 기계적 시험.
• <111>, <110>, <100> 결정학적 방향에 따른 축축한 압축을 통해 결정 방향 의존적 불변성의 탐색.
• 실시간 변형계란 생성 및 전파를 촬영하기 위한 고해상도 및 원자 스케일 영상.
• 변형계란의 구조를 톰로그래픽 재구성하여 버거스 벡터 및 미끄럼 평면의 기울기를 결정하기 위해.
• 통제된 하중 조건 하에서 변형계란의 시공간적 진화 분석.
• 스립 시스템 및 변형거동에 관여하는 결정학적 평면을 규명하기 위해 회절 및 격자 영상 분석을 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 다이아몬드에서 변형계란 불변성이 직접 관찰될 수 있는가?
• RQ2 실온에서 축축한 압축 하중 조건에서 다이아몬드에서 활성화되는 결정학적 평면과 미끄럼계열은 무엇인가?
• RQ3 결정 방향(예: <111>, <110>, <100>)이 변형계란 활성화 및 불변성 반응에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 다이아몬드의 변형거동 중 활성화되는 변형계란의 성격(예: 버거스 벡터, 유형)은 무엇인가?
• RQ5 거대 다이아몬드에서의 불변성 부재는 기하학적 제약 때문이거나 변형계란 이동성의 내재적 제약 때문인가?

주요 결과

• 실온에서 축축한 압축 하중 조건에서 초미세 다이아몬드 기둥에서 변형계란 불변성이 직접 관찰됨.
• <111> 및 <110> 하중 방향에서 비밀도 평면 {001}에서 버거스 벡터 1/2<110>를 가진 혼합형 변형계란이 활성화됨.
• <100> 하중 조건에서는 {111} 평면에서 변형계란이 활성화되어 결정 방향 의존적 불변성이 확인됨.
• 원자 해상도의 톰로그래픽 재구성 결과, 변형계란의 존재 및 구조가 명확히 확인되었으며, 버거스 벡터와 미끄럼 평면이 확실하게 규명됨.
• 결과적으로 다이아몬드는 실온에서 변형계란 운동을 통해 불변성을 견딜 수 있음을 입증하였으며, 기존의 믿음과는 정반대임을 보여줌.
• 이러한 발견은 다이아몬드가 저온에서 순수하게 연성임을 오랫동안 간주해온 가정을 도전하며, 공유결합 결정에서의 변형거동 메커니즘 재고를 제안함.