[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究通过原位透射电子显微镜在单轴压缩下直接观测了亚微米级金刚石柱在室温下的位错塑性。研究揭示了非最密堆积{001}和{111}晶面中混合型1/2<110>位错的取向依赖性活化，挑战了金刚石在室温下纯粹脆性的长期观点，并重新定义了共价晶体中塑性变形的理解。

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.

研究动机与目标

• 探究尽管金刚石以脆性断裂著称，其在室温下是否表现出塑性变形。
• 在机械载荷下直接观测纳米尺度金刚石柱中的位错动力学。
• 确定室温下金刚石位错塑性中涉及的晶体学平面和滑移系统。
• 理解晶体取向在位错活化和塑性响应中的作用。
• 通过展示位错介导的塑性，挑战金刚石纯粹脆性的传统认知。

提出的方法

• 在透射电子显微镜（TEM）中对亚微米级金刚石柱进行原位力学测试。
• 沿<111>、<110>和<100>晶体学方向进行单轴压缩，以探测取向依赖的塑性。
• 利用高分辨率和原子尺度成像技术，通过原位TEM捕捉位错形核和传播的实时过程。
• 通过断层扫描重建位错结构，以确定伯吉斯矢量和滑移面取向。
• 在受控加载条件下分析位错的时空演化。
• 利用电子衍射和晶格成像技术，识别参与塑性变形的滑移系统和晶体学平面。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在室温下直接观测到金刚石中的位错塑性？
• RQ2 在室温下单轴压缩下，金刚石中哪些晶体学平面和滑移系统处于激活状态？
• RQ3 晶体取向（如<111>、<110>、<100>）如何影响位错活化和塑性响应？
• RQ4 在金刚石塑性变形过程中激活的位错性质是什么（如伯吉斯矢量、类型）？
• RQ5 体相金刚石中缺乏塑性的原因是否源于几何约束，还是位错迁移率的内在限制？

主要发现

• 在室温下单轴压缩下，直接观测到亚微米级金刚石柱中的位错塑性。
• 在<111>和<110>加载方向下，非最密堆积{001}晶面中激活了具有伯吉斯矢量1/2<110>的混合型位错。
• 在<100>加载下，位错在{111}晶面中被激活，证实了取向依赖的塑性。
• 原子分辨的断层扫描重建结果明确证实了位错的存在及其结构，实现了对伯吉斯矢量和滑移面的无歧义识别。
• 结果表明，金刚石可通过位错运动在室温下承受塑性变形，这与传统认知相悖。
• 研究结果挑战了金刚石在低温下纯粹脆性的长期假设，提示需重新评估共价晶体中的变形机制。