導讀：在結晶材料的塑性變形和蠕變中非保守位錯爬升起著獨特的作用。然而，位錯攀升的潛在原子尺度機制尚未通過直接實驗觀察進行探索。本文報告了在室溫下原位應變期間納米結構Au中晶界(GB)位錯爬升的原子尺度觀察。線位錯的爬升是通過應力誘導重建位錯核心中額外半原子平面邊緣的兩個相鄰原子柱而發現的。這與通過破壞或在位錯核心處構建單個原子柱來實現位錯攀登的傳統觀點不同。我們提出的位錯爬升的原子路線被蒙特卡羅模擬證明在能量上是有利的。我們的原位觀察還揭示了在室溫下通過位錯爬升的晶界演化，這揭示了一種控制納米結構金屬的微觀結構和性質的方法。

由于納米尺度上的強烈尺寸效應，納米結構金屬通常表現出優異的機械性能。它們已被用作現代納米技術和電子技術的重要組成部分。通常，晶體的納米級尺寸會影響位錯的產生、運動、反應和湮滅。然而，納米級結構中位錯運動的原子級機制仍然難以捉摸，特別是對于涉及非保守運動脫離原始滑移面的位錯攀登。已經進行了理論計算和原子模擬，以研究位錯在相關時間和溫度尺度上的攀升。基于離散位錯動力學和相場方法的中尺度模擬也已用于研究位錯爬升。然而，據我們所知，位錯爬升的原位原子尺度實驗觀察尚未實現。因此，位錯核心在其爬升過程中的動態演化尚不清楚，納米尺寸對位錯爬升的影響仍然鮮為人知。

在此，上海交通大學的儲淑芬，劉攀等人聯合東北大學等報告了在具有面心立方(FCC)結構的脫合金納米多孔金中的Au韌帶中傾斜晶界(GB)的位錯爬升的原位原子尺度觀察。GB位錯的爬升由室溫下施加的彎曲載荷驅動。結果，大多數攀爬GB位錯從韌帶的自由表面逸出，導致高角GB（HAGB）演變為Σ3孿晶界（TB）。觀察到的原子級位錯攀登過程揭示了室溫下非保守位錯運動的一條意想不到的路線，這與傳統的理解不同。

相關研究成果以題“Insituatomic-scaleobservationofdislocationclimbandgrainboundaryevolutioninnanostructuredmetal”發表在《自然》（Nature）子刊上。

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使用透射電子顯微鏡(TEM)內的雙傾斜致動器進行原位應變實驗。以每秒30幀的高速率記錄高分辨率TEM(HRTEM)圖像，這極大地有助于跟蹤單個GB位錯的逐步運動。圖1a顯示了加載前直徑~7 nm的Au韌帶的原子結構（時間t = 0 s）。韌帶的重建原子模型如圖1h所示。韌帶由三個納米顆粒組成，左右顆粒之間有一個Σ3TB，中右顆粒之間有一個HAGB。所有三個晶粒都沿[1-10]區域軸對齊。模擬的原子圖像表明HRTEM圖像中的暗點對應于Au原子柱。HAGB由TB和附近的邊緣位錯陣列組成，彼此垂直排列。由于這些位錯接近但遠離TB，因此Burgers矢量的邊緣分量可以通過Burgers電路分析從HRTEM圖像中清楚地確定。

圖1：具有代表性的原位HRTEM圖像顯示了HAGB處的室溫位錯爬升和從HRTEM圖像重建的原子模型。a插圖中的Burgers電路表示位錯的相同邊緣分量。新形成的孿晶薄片用g中的紅色虛線表示。比例尺：a2 nm和b–g1 nm。h從a中的HRTEM圖像重建的原子模型。預先存在的Σ3TB用深灰色平面標記，位錯核心用紅色原子柱突出顯示。黃色曲面表示彎曲的中性平面。i對應于b-g中HRTEM圖像的重建原子構型。

圖2：從HRTEM圖像測量的位錯“4”的爬升速度和位移。a-eHRTEM圖像顯示核心的快速移動（由虛線圈出）。比例尺：1 nm。f在整個原位應變過程中，位錯“4”的爬升速度和位移隨時間變化。

圖3：正爬升過程中位錯核心的重建。a-f顯示位錯核心重建的一系列HRTEM圖像。比例尺：0.5 nm。g沿a-f中的虛線矩形提取的相應對比度強度分布。h-lGCMC結果揭示了正爬升過程中位錯核的原子結構演變。上排圖像顯示了兩個GB位錯（用符號⊥標記）的每個核心處兩個相鄰原子柱（紅色）合并過程的俯視圖（xy平面）。下一行顯示了通過沿h中的黑色虛線切割原子結構生成的相應側視圖（xz平面）。另外兩個相鄰的原子柱（青色）作為參考，不直接參與攀登位錯核心的重建過程。

圖4：負爬升過程中位錯核心的重建。a-d顯示重建過程的一系列HRTEM圖像。比例尺：0.5 nm。e沿a-d中的虛線矩形提取的相應對比度強度分布。