有充分證據表明，金 (Au)在環境溫度下在約 150 至 600 GPa 的壓力范圍內從面心立方 (fcc) 結構轉變為六方密排 (hcp) 結構，正如在靜態壓縮下通過實驗驗證的那樣金剛石砧座實驗或通過從頭計算進行理論預測那樣。此外，由于 5p 態和 5d 帶之間的雜化，預計體心立方 (bcc) 結構在較高壓力下是穩定的。元素 Au沖擊壓縮下的高壓實驗表明，貴金屬在高達 150和 223 GPa的壓力下保持其典型的 fcc 結構，但在更高的壓力下開始轉變為 bcc 結構.這種相變是可能的，因為不僅壓力非常高，而且伴隨沖擊壓縮的溫度升高也很大。

Smirnov的第一性原理計算很好地再現了這些實驗和理論結果，他繪制了更全面的溫度和壓力范圍（高達 104 K 和高達 500 GPa）。發現在非常高的壓力下向 bcc 結構的轉變是令人驚訝的，因為 bcc 結構的堆積密度低于起始 fcc 結構。然而，這種相變的機制尚不清楚。僅認識到 bcc 相是熵穩定的。

然而，來自韓國首爾大學的學者的研究表明，這些條件可能不是必需的。在這項研究中，用于透射電子顯微鏡 (TEM) 的 Au 薄膜樣本在TEM 的電子束照射下經歷了從面心立方 (fcc) 到 bcc結構的轉變。Au 薄膜樣品中的某些區域在電子束照射期間被選擇性地減薄。薄區域被認為由于其有限的尺寸而受到入射電子的電子激發的能量沉積的局部化，這導致該區域被加熱。在激發中，俄歇衰變是 Au 加熱的可能來源。由于俄歇衰變引起的溫度升高被成功地模擬為伴隨著薄區域的應力發展。有時，薄區域會從面心立方 (fcc) 相過渡到 bcc 相。fcc 基體和 bcc 相具有類似于鋼中 fcc 到 bcc 相變中發現的取向關系，這表明向 bcc 結構的轉變是通過位移機制發生的。這表明薄膜形態促進了相變，電子束輻射和應力發展引起的晶體缺陷穩定了更開放的 bcc 結構。相關文章以“Transition to body-centered cubic structure in Au thin films under electron-beam irradiation”標題發表在Acta Materialia。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118759

圖 1. 表面法線方向為 [0 0 1] 的 Au 薄膜的高分辨率透射電子顯微鏡 (HRTEM) 觀察結果。(a) 在光束直徑為 75 nm (~91 A cm^–2) 的電子束照射下薄區域的HRTEM 圖像的時間序列。(b) 在 (a) 中顯示的 4 m 36 s 拍攝的圖像，全邊緣位錯標記為“T”，相應的應變場為 ε_xx、ε_yy 和 ε_xy。(c) (a) 中 5 米 17 秒時拍攝的圖像中虛線框的快速傅立葉變換 (FFT)。(d) 在 (a) 中以 5 米 17 秒拍攝的整個圖像的FFT。

圖 2. 表面法線方向為 [0 1 1] 的 Au 薄膜的HRTEM 觀察結果。(a) 在光束直徑為 75 nm (~91 A cm^–2) 的電子束照射下薄區域的 HRTEM 圖像的時間序列。(b) (a) 中 5 米 43 秒時拍攝的圖像中虛線框的 FFT。(c) (b) 中薄區域的FFT 疊加在 5 米 43 秒時拍攝的圖像中的矩陣的 FFT 上。對于（a）所示的5 m 43 s拍攝的圖像，bcc轉換區域的面積較小，因此包括bcc轉換區域和周圍矩陣的區域的FFT沒有清楚地揭示方向關系（OR）在兩個階段之間。通過分別獲得 bcc 區域（紅色點）和同一區域周圍矩陣（藍色點）的 FFT 并將它們重疊，揭示了兩個階段之間的 OR。

圖 3. 用于計算溫度和解析剪應力的有限元分析 (FEA) 模型。在光束直徑為 75 nm 的電子束照射下，Au 薄膜被模擬為具有 2 μm × 2 μm 的面積和 10 nm 的厚度。照射區域顯示有選擇性的薄區域，對于 FEA，假設其厚度為 1 nm，直徑為 1 nm。

圖 4. FEA 計算的俄歇衰變導致的溫度升高。(a) 溫度突然升高的峰值是由薄區域中的俄歇衰變引起的，該區域在 (b) 中以對數時間尺度放大。(c) 矩陣的貢獻微不足道。溫度升高每 3.3 μs 發生一次。

圖 5 固定時間為 1 ps 時薄層區域的溫度分布。(a) 表面法線方向為 [0 0 1] 的薄區域分布。(b) 表面法線方向為 [0 1 1] 的薄區域分布。(c) 固定時間為 1 ps 的溫度-距離圖。薄區域體積的平均溫度為 1100 K

圖 6. 薄區域中最大分解剪切應力 (RSS) 的分布。(a) 表面法線方向為 [0 0 1] 的薄區域分布。(b) 表面法線方向為 [0 1 1] 的薄區域分布。

總之，這項研究是第一份關于可能由有限尺寸效應觸發的 Au 中的 fcc to bcc 結構轉變的實驗報告。對于感興趣的納米級區域，似乎可以肯定的是，熱量局限在一個小體積內，導致該體積與其周圍環境之間產生溫差，從而產生熱應力。考慮到周圍基質與 bcc 轉變區域之間的取向關系，可以得出結論，向 bcc 結構的轉變是通過薄區域溫度升高引起的應力發展引起的位移機制發生的。兩相之間的取向關系表明相變可能通過位錯運動介導的位移機制發生。位錯可以由電子轟擊和由束加熱可能從周圍基質和新相之間的界面引起的塑性變形提供。Smirnov認為 bcc Au 是熵穩定的。也就是說，它的形成可以通過填充缺陷來增強。由電子束照射和塑性變形引起的晶體缺陷似乎可以穩定更開放的 bcc 結構。本研究證明了其具有許多晶格缺陷，即空位和晶格位錯，是由光束照射和塑性變形產生的。本研究進一步表明，薄膜形態促進了轉變，因為薄膜形態對表面的相變沒有晶格約束。結果表明，即使在中等高應力（高達幾個 GPa）下，fcc 到 bcc 相變也是通過位移機制發生的，這種機制由位錯的供應介導，并且在薄膜的情況下肯定會得到促進形貌與納米級。這項研究促進了我們對 Au 中 fcc 到 bcc 轉變背后機制的理解，從而幫助研究人員改進極端條件下元素固體的理論模型，并開發可在極端狀態下制造的新材料。