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【导读】
强度和延展性是材料的两种重要属性，但它们在大多数材料中是相互排斥的。实验表明，几种中熵和高熵合金（M/HEAs）可以克服这种强度-延展性权衡。混合了几种由近等原子元素组成的M/HEAs，代表了一种在冶金，催化和其他材料中设计先前未知材料的模型转换策略。其中，M/HEAs的高强度源于作为溶质的不同元素成分、局部化学秩序和异质晶格应变，这提高了位错运动的能量势垒。尽管面心立方（fcc）金属中的位错滑动导致高延展性和强度降低，但M/HEAs中的孪晶提供了一种独特的塑性机制，该机制阻碍了位错运动并在保持延展性的同时获得强度。M/HEAs的核心假设之一是晶格畸变，且已通过不同的数值和实验技术进行了研究，但如何确定M/HEAs中的三维（3D）晶格畸变仍然是一个挑战。此外，M/HEAs中假设的随机元素混合受到X射线和中子研究、原子模拟、能量色散谱和电子衍射的质疑，这表明M/HEAs中存在局部化学有序。然而，由于能量色散光谱整合了沿带轴的原子柱组成，漫反射电子反射可能源于平面缺陷，而不是局部化学有序，因此很难对三维局部化学有序进行直接实验观察。
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【成果掠影】
在此，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）缪建伟教授等人（通讯作者）使用原子分辨电子断层扫描确定了M/HEAs纳米颗粒的3D原子位置，定量表征了局部晶格畸变、应变张量、孪晶界、位错核和化学短程有序（CSRO）。结果表明，与中熵合金相比，高熵合金具有更大的局部晶格畸变和更多的非均应变，并且该应变与CSRO相关。同时，作者还在中熵合金中观察到CSRO介导的孪晶，也就是说—孪晶发生在能量不利的CSRO区域，而不是能量有利的CSRO区域，这代表了本文首次实现了局部化学有序与任何材料的结构缺陷相关联的实验观察。因此，预计这项工作不仅将扩展人们对这一类重要材料的基本理解，而且将为通过工程晶格畸变和局部化学有序来定制M/HEAs特性奠定了基础。
相关研究成果以“Three-dimensional atomic structure and local chemical order of medium- and high-entropy nanoalloys”为题发表在Nature上。加州大学洛杉矶分校Saman Moniri、Yao Yang以及西安交通大学丁俊教授为共同一作。
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【核心创新点】
1.使用原子级电子断层扫描（AET）确定了基于NiPdPt的M/HEA纳米颗粒的三维原子坐标，在原子尺度上量化了M/HEAs的三维晶格畸变、应变张量、位错、孪生边界和CSRO。
2.孪晶发生在能量不利的CSRO区域，而不是能量有利的CSRO区域，这代表了首次实现了局部化学有序与任何材料的结构缺陷相关联的实验观察。
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【数据概览】
图1 M/HEA纳米颗粒的三维原子结构和晶格畸变© 2023 Springer Nature
图2 M/HEA纳米颗粒的3D应变张力测量© 2023 Springer Nature
图3 CSRO与膜电极孪生相关性的实验观察© 2023 Springer Nature
图4 根据实验3D原子坐标和MEAs的种类计算得出的孪晶形成能（ETF）© 2023 Springer Nature
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【成果启示】
综上所述，本文通过推进AET来确定M/HEAs的三维原子位置，并在三维空间中定量表征其局部晶格畸变、应变张量、位错核和CSRO。研究发现，M/HEAs中的应变和CSRO之间存在相关性，还观察到MEA中CSRO介导的孪晶，这证实了 NiPdPt MEA的DFT计算和CrCoNi MEA的原子模拟。同时，由于CSRO在材料制造过程中的可调性，作者对CSRO与孪晶之间相关性的3D原子尺度见解可以扩大M/HEA和其他具有目标结构-性能关系的合金的设计范围。虽然在这项工作中专注于M/HEA纳米颗粒，但AET可以与EDS相结合，通过将块状M/HEA 铣削成针状或薄样品来确定它们的三维原子位置和局部化学秩序。此外，与传统合金相比，M/HEA催化剂在各种多步反应中表现出更高的性能，包括氨的氧化和分解、二氧化碳减排和甲烷燃烧。M/HEA催化剂还具有近乎连续的吸附结合能，具有更高的结构稳定性。因此，确定M/HEA催化剂的3D原子结构并测量其3D局部晶格畸变和应变，可以为它们在大部分未开发的成分和结构范围内的合理设计铺平道路。
文献链接：“Three-dimensional atomic structure and local chemical order of medium- and high-entropy nanoalloys”（Nature，2023，10.1038/s41586-023-06785-z）
来源：材料人