研究人员通过首次捕捉到多晶材料中晶粒旋转的原子级观察，取得了突破性的进展。利用最先进的显微镜技术，研究团队加热铂纳米晶薄膜样本，观察晶粒旋转背后的详细机制。
加州大学尔湾分校的科学家，与其他全球机构合作，首次成功实现了对多晶材料中晶粒旋转的原子级观察。这些材料在电子设备、航空航天技术、汽车工业和太阳能系统等多种应用中至关重要。多年来，它们独特的性质和结构行为得到了广泛研究。
研究人员利用加州大学尔湾分校材料研究所的先进显微镜工具，将铂纳米晶薄膜样本加热，以前所未有的清晰度研究晶粒旋转背后的机制。他们的发现已在最近发表的《科学》杂志上公布。
通过使用四维扫描透射电子显微镜和高角环形暗场STEM等复杂技术，研究解决了通过开发新机器学习算法来解释大量4D-STEM数据集的挑战。这种创新工具帮助从数据中提取关键细节，使原子相互作用的实时可视化成为可能，特别是晶粒边界处的脱连接如何发挥重要作用。
“数十年来，研究人员一直推测晶体晶粒边界发生的现象，但现在–得益于利用最前沿的仪器–我们已经从假设转向实际观察，”加州大学尔湾分校材料科学与工程的杰出教授及首席作者潘晓青解释道。
晶粒边界是多个晶体晶粒在多晶材料中相遇的接口，通常含有可能影响导电性和效率的缺陷。研究揭示，晶粒旋转是通过脱连接–具有台阶和位错特征的缺陷–沿着这些晶粒边界的运动得以促进。这一发现显著增强了对纳米晶材料微观结构变化的理解。
经过机器学习增强的数据分析还首次揭示了晶粒旋转与晶粒的生长或减少之间的统计关系。这一现象源于由脱连接运动引发的晶粒边界的剪切耦合迁移，得到了STEM观察和原子模拟的证实。这个关键发现不仅阐明了晶粒旋转的核心机制，也揭示了纳米晶材料的动力学。
“我们的发现提供了关于晶粒在多晶材料中如何在原子水平旋转的清晰、定量和预测性证据，”潘表示。他也是加州大学尔湾分校物理与天文学系的教授，拥有亨利·萨缪利工程讲座主席，并且是加州大学尔湾复杂与活性材料中心的主任。“理解脱连接在晶粒旋转和边界迁移中的作用，可能揭示优化这些材料微观结构的策略，这对电子、航空航天和汽车等多个行业的进步至关重要。”
这项研究为提高多晶材料的性能和耐用性提供了新的机会，可能会改善其在各种应用中的效率。
该项目的合作者包括加州大学尔湾分校的Bi Yutong、Han Ying、Tian Yuan和Xu Mingjie；香港大学的Gong Xiaoguo和Srolovitz David；哥伦比亚国家大学的Leonardo Velasco Estrada；德国卡尔斯鲁厄理工学院的Evgeniy Boltynjuk；俄克拉荷马大学的Horst Hahn；以及香港城市大学的Qiu Caihao和Han Jian。该研究获得了国家科学基金会材料研究科学与工程中心项目、美国陆军研究办公室和香港研究资助局的资助。
