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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
由外部應力引起的材料內部位錯運動與材料的機械性能及其變形動力學息息相關。延性材料通過位錯移動表現出塑性，而脆性材料在極端條件下同樣會表現出延展性。研究表明位錯介導的塑性基本機制表現出高速率敏感性的情況，在最高應變率下，位錯在變形過程中以接近材料聲速的速度移動。
然而，位錯運動的研究仍存在以下問題：
1、位錯運動的速度極限仍不明確
盡管線缺陷（位錯）的運動已經被研究了60多年，但位錯運動的最大速度相關問題尚未解決。
2、迄今為止尚未真正觀察到超音速位錯運動
大量的理論和分子動力學（MD）模擬研究已經預測了跨音速甚至超音速位錯運動的存在，但尚未通過實驗觀察到真實晶體中的跨音速或超音速位錯運動。
有鑒于此，大阪大學Kento Katagiri等人使用飛秒X射線成相技術實現了沖擊壓縮單晶金剛石中超快位錯運動的跟蹤。作者討論了對相關圖像特征的解釋和分析，并討論了位錯速度和相關塑性如何指示輻射和阻力，解析了微觀結構和體彈塑性行為之間的關系。通過可視化堆垛層錯的延伸速度高于金剛石最慢的聲波速度，展示了其前緣部分位錯跨音速移動的證據。本工作解析的晶體中位錯遷移率的上限對于準確建模、預測和控制極端條件下材料的機械性能至關重要。
技術方案：
1、通過X射線自由電子激光器實現了堆垛層錯的可視化
作者使用X射線自由電子激光器在金剛石單晶上實現了原位X射線成相，通過測量線性特征和金剛石表面之間的角度偏移實現了堆垛層錯的可視化。
2、證實了金剛石中跨音速位錯傳播
作者展示了獲得的位錯速度及不同密度下金剛石的聲波速度，觀察到的[100]和[110]激波方向的位錯速度都位于跨音速區域。
3、觀測到金剛石中的跨音速位錯的輻射
作者發現緊鄰塑性波前的彈性壓縮體積存在多個聲子輻射，發現沿不同方向、不同位錯速度的激波的不同輻射量是由于速度對輻射能量耗散的強烈依賴性。
技術優勢：
1、首次通過實驗證實了超音速的位錯運動
作者利用X射線照相技術對受沖擊的單晶金剛石在塑性變形過程中的位錯運動進行了跟蹤，證實了單晶金剛石中的位錯速度可以高于材料的體聲速。
2、利用沖擊壓縮技術提供了研究高速位錯的獨特系統
通過測量位錯的實驗很難實現MD 模擬的快速驅動條件，作者利用沖擊壓縮技術高于107 s-1的應變率，沖擊波前的能量不連續性會產生最初移動速度快于極限速度的位錯，提供了研究高速位錯提供了獨特的系統。
技術細節
堆垛層錯的可視化
本工作通過使用SPring-8 Angstrom 緊湊型自由電子激光器(SACLA)上的X射線自由電子激光器 (XFEL)進行的。通過化學氣相沉積合成的IIa型金剛石單晶，通過切割方向使得沖擊沿[100]和[110]方向傳播。通過使用光子能量為7.0 keV、脈沖持續時間約為8 fs的非聚焦單脈沖 XFEL 光束沿垂直于沖擊傳播方向的軸照射金剛石，實現了原位X射線成相，在寬視場內提供了>106的動態范圍和~1毫米的空間分辨率。作者使用傅立葉濾波圖像上的霍夫變換測量了線性特征和金剛石表面之間的角度，角度偏移可能表明沖擊引起的孿生或沿另一個晶面的滑移，作者將這些變形引起的能帶解釋為沿{111}平面形成的累積堆垛層錯。
圖 沖擊金剛石的飛秒X射線成相
跨音速位錯傳播
由于堆垛層錯的邊緣是由部分位錯定義的，因此作者觀察到的堆垛層錯延伸的前緣給出了實驗中的位錯速度。金剛石中形成的堆垛層錯顯示為不連續線，表明位錯隨塑性波前傳播。在傳播塑性激波前沿處新產生的位錯數量比從金剛石表面傳播的位錯數量少得多。作者展示了獲得的位錯速度及不同密度下金剛石的聲波速度，觀察到的[100]和[110]激波方向的位錯速度都位于跨音速區域，[110]沖擊晶體中的位錯速度比[100]晶體中的位錯速度快。
圖 堆垛層錯的可視化
跨音速位錯的輻射
通過觀察緊鄰塑性波前的彈性壓縮體積，發現存在多個“彈性脈沖”，即位錯理論中的輻射。作者觀察到沿不同方向、不同位錯速度的激波的不同輻射量是由于速度對輻射能量耗散的強烈依賴性。本工作使用強沖擊波可以提供足夠高的應力來克服輻射阻力，進而實現位錯的穩定跨音速運動。
圖 沖擊金剛石中的跨音速位錯運動
總之，作者通過原位X射線成相直接顯示了金剛石中跨音速位錯運動的實驗證據，從而導致了跨越塑性變形體積的眾多堆垛層錯的形成。發出輻射的微觀位錯運動可能會影響宏觀彈塑性變形動力學。該實驗結果證實的跨音速位錯運動為相關模型的改進提供了關鍵的證據，為深入了解極端條件下的超快變形行為提供了理論依據，這對結構材料的超快斷裂、地震破裂的預測和分析、精確的制造工藝以及電化學應用中的功能等多個領域產生了積極影響。
參考文獻：
KENTO KATAGIRI, et al. Transonic dislocation propagation in diamond. Science, 2023,382(6666):69-72.
DOI:10.1126/science.adh5563
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh5563
