導讀：輻射引起的偏析在金屬材料中是眾所周知的，但由于陶瓷中原子鍵很強，一般認為輻射不會引起偏析。本文發現輻射可導致陶瓷中的一種元素明顯偏析到晶界；還發現通過化學氣相沉積法（CVD）生長的未輻射碳化硅的晶界本質上是貧碳的。固有的晶界化學及其在輻射下的演化對于理解陶瓷中與晶界相關的許多特性都是至關重要的。

提到陶瓷，大部分人可能首先會想到自己喜歡的杯子或花盆。但是現代科技中充滿了先進的陶瓷，從芯片到超導體再到生物醫學植入材料。這些先進的陶瓷通常是由多種材料組成的復合材料，在微觀層面上，它們類似于用石灰石砂漿固定的石圍墻。像圍欄一樣，陶瓷的強度特性在很大程度上取決于砂漿的強度，砂漿的強度在陶瓷中是指晶界或不同類型材料相遇區域的化學性質。

石圍墻及晶界

SiC陶瓷材料有著眾多優異的性能，被廣泛應用于多種領域，而這種材料在輻照條件下的優異表現使得其有著作為未來先進核反應堆的結構材料、包殼材料等等用途。

以前，大多數研究人員認為SiC陶瓷中這些晶界的化學性質非常穩定。但是威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員進行的一項新研究表明，事實并非如此。實際上，在SiC中，當材料暴露于某些類型的輻射時，碳原子會聚集在這些晶界處。這一發現可以幫助工程師更好地了解陶瓷的性能，并有助于微調新一代陶瓷材料。這項研究結果以題為“Radiation-induced segregation in a ceramic”于5月25日在線發表在國際頂級期刊《Nature Materials》上。

論文鏈接

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0683-y

由于多晶陶瓷晶粒原子之間的原子鍵比金屬中的強得多，因此研究人員認為它們不會受到輻照導致的元素偏析。但是，當威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程學教授Izabela Szlufarska開始仔細觀察碳化硅的晶界時，她們發現：“在碳化硅中，硅和碳有很強的傾向去配對在一起，因而預期的碳含量為50％，硅含量為50％ ”她說。但是，當她的團隊進行模擬并仔細觀察晶界時，驚奇的發現邊界處的碳濃度僅為45％。她說：“晶界區域與晶粒內部的化學濃度的差異真的很大。” “這是一個驚喜，因為這種材料有很強的產生完美化學配比的原子的趨勢。”

SiC晶界的高分辨圖

這表明SiC也可能易于受到輻射誘導的元素偏析（Radiation-induced segregation）。因此，Szlufarska教授和她的團隊用離子輻射轟擊了這種物質，發現在300攝氏度至600攝氏度之間，晶界經歷了碳富集。

在這些能量水平下，輻射會導致一些碳原子突然消失，從而在碳化硅中產生一對缺陷，包括稱為空位的空斑和稱為間隙的疏松碳原子。那些未連接的間隙原子遷移到它們積累的晶界，從而影響了材料的化學性質。

輻照導致部分碳原子消失

除了研究人員根本不相信這種遷移可能發生在陶瓷之外，Szlufarska教授說，直到最近，他們還缺乏深入研究這種現象的工具。經過在威斯康星大學麥迪遜分校和橡樹嶺國家實驗室進行的最先進的透射電子顯微鏡檢查使該小組能夠沿晶界解析化學成分。

研究小組認為，這種現象也可能在其他多晶陶瓷中發生。這個過程是一把雙刃劍：一方面，輻射引起的元素偏析意味著陶瓷在其晶界處與金屬合金一樣，遭受相同類型的缺陷和變質，盡管溫度不同。另一方面，隔離在材料工程中可能有用，以生產專門形式的陶瓷，例如碳化硅，用于核能，噴氣發動機和其他高科技應用。

Izabela Szlufarska是威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程及工程物理領域的Harvey D. Spangler教授。王興（Dr. Xing Wang）（現為賓夕法尼亞州立大學的助理教授）和威斯康星大學麥迪遜分校的張宏亮（Dr. Hongliang Zhang）是論文的共同一作。本研究得到了美國能源部（DE-FG02-08ER46493）和國家科學基金會（DMR-1720415）的資助。

*感謝原文作者團隊對本文的支持與指導。

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