2022年11月7日，中國科學技術大學林岳教授（青促會第10批會員），與洪勛教授及香港城市大學張華教授團隊合作在Adv. Mater.在線發(fā)表了題為《In situ Observation of Structural Evolution and Phase Engineering of Amorphous Materials during Crystal Nucleation》的研究成果。中科大博士生韓霄、博士后吳耕和香港城市大學博士后葛一瑤為該論文并列第一作者。 晶體的成核在化學、材料科學、凝聚態(tài)、物理學、結(jié)構生物學和醫(yī)學等多個研究領域都具有重要意義。成核路徑對形成的晶體的相和形貌起著決定性的作用。經(jīng)典成核路徑描述了原子或分子通過單步隨機碰撞形成晶核。最近的研究表明，成核過程可能呈現(xiàn)出非經(jīng)典的多步路徑，在最終晶體形成之前會產(chǎn)生中間相。近期，在固相中直接觀察非晶到結(jié)晶的轉(zhuǎn)變已被用來追蹤和建立非經(jīng)典形核的不同機制。然而，盡管近年來在非晶-結(jié)晶轉(zhuǎn)變方面的研究取得了進展，但在原子尺度對轉(zhuǎn)變過程中的中間步驟的探索仍具有挑戰(zhàn)性。 本研究以摻雜碳的Ru、Rh和IrCo NSs等超薄非晶金屬納米片(NSs)為起始材料，利用原位原子分辨掃描透射電子顯微鏡(STEM)研究了非晶相成核的途徑。原子水平成像和原位徑向分布函數(shù)(RDF)的組合表明原子核形成過程中有三個不同的階段，即原子聚集(階段I)、結(jié)晶形成晶格擴展的納米晶體(階段II)和晶格擴展的納米晶體弛豫形成最終的納米晶體(階段III)。 此外，通過以非晶納米作為前驅(qū)體，研究人員還獲得了多種非傳統(tǒng)晶相材料，包括面心立方(fcc) Ru、六方密堆 (hcp) Rh和一種新型金屬間化合物IrCo合金。這些具有亞穩(wěn)態(tài)晶相的材料在成核過程中處于自由能分布圖的局部最小值，它比熱力學穩(wěn)定的結(jié)晶相具有更高的能量，通常難以通過常規(guī)制備方法獲得。原則上，如果能克服成核的能壘，并將能量錨定在相應的自由能谷上，就可以獲得亞穩(wěn)晶相材料。然而，這種過程通過常用策略難以精確控制。研究團發(fā)現(xiàn)，從具有中間相(如非晶相)的前驅(qū)體/起始材料開始成核，通常會改變成核的活化能，從而改變成核途徑，從而獲得亞穩(wěn)晶相材料。原位電子能量損失譜(EELS)分析顯示，原始非晶態(tài)納米片中的摻雜碳在成核過程中可以遷移到表面，并穩(wěn)定由非晶態(tài)結(jié)構轉(zhuǎn)變而來的非常規(guī)晶體相，密度泛函理論(DFT)計算也證實了這一點。 這些發(fā)現(xiàn)不僅為非晶結(jié)構的成核機制提供了深入的認識，而且為非常規(guī)的納米晶體的制備提供了一種有效的策略，進一步豐富了新興的納米材料相工程領域。 該研究得到了中國科學院青年創(chuàng)新促進會、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業(yè)務費專項基金等項目的資助。 文章鏈接 
圖1 非晶C-Ru納米片中Ru納米晶成核過程的實時成像
 圖2成核過程原子結(jié)構變化
圖3在TEM原位加熱下非晶C-IrCo NSs成核過程中形成的金屬間化合物IrCo納米晶 | 
