鉆石是世界上最堅(jiān)硬，但可壓縮性最低的晶體材料。認(rèn)識(shí)和進(jìn)一步改善其硬度在科學(xué)技術(shù)的道路上非常重要。在過去的幾十年中，已經(jīng)在這方面付出了許多努力。已經(jīng)證明的是，金剛石的硬度可以根據(jù)霍爾佩奇效應(yīng)，即通過改變晶粒尺寸等來改善。

例如，納米晶金剛石（ng-金剛石）晶粒尺寸為10-30nm已被報(bào)道努氏硬度高達(dá)110-140GPa，比單晶金剛石的硬度顯著提升。納米雙晶金剛石（nt-金剛石）通過壓縮納米結(jié)構(gòu)合成，平均雙晶厚度約5-8nm，最近有報(bào)道稱其維氏硬度175-200GPa，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。nt-金剛石的硬度可以進(jìn)一步提高嗎？這對(duì)于設(shè)計(jì)新的超硬材料是潛在的科學(xué)問題。

來自燕山大學(xué)田永君院士團(tuán)隊(duì)的溫斌教授等，與美國(guó)芝加哥大學(xué)的王雁賓教授合作，利用分子動(dòng)力學(xué)(MD)計(jì)算探討了納米孿晶界(TBs)對(duì)nt-金剛石的影響，并開發(fā)了一種新型交叉納米孿晶金剛石(int-金剛石)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過計(jì)算預(yù)測(cè)硬度比nt-金剛石更高。相關(guān)論文以題為“Intersectional nanotwinned diamond-the hardest poly crystalline diamond by design”發(fā)表在npj Computational Materials。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41524-020-00387-3

本研究基于Burgers矢量與位錯(cuò)線之間的夾角為0°位錯(cuò)的行為分析金剛石的硬度。在一個(gè)int-金剛石晶粒中具有兩個(gè)不同取向的孿晶界共存并交織，根據(jù)位錯(cuò)線方向及滑移面方向可將滑移模式分為四種類型：滑移（ST）模式、限制層滑（CLS）模式、限制滑移轉(zhuǎn)移模式Ⅰ和限制滑移轉(zhuǎn)移模式Ⅱ。由于這些滑動(dòng)模式與孿晶交互作用不同，所以四種模式的臨界分切應(yīng)力（CRSS）不同。

在ST模式時(shí)位錯(cuò)在孿晶內(nèi)滑移，對(duì)應(yīng)的CRSS由晶格摩擦應(yīng)力和孿晶內(nèi)位錯(cuò)的能量勢(shì)壘確定；在CLS模式時(shí)，位錯(cuò)線在兩個(gè)孿晶內(nèi)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)被兩個(gè)孿晶和CRSS的限制可通過位錯(cuò)能來評(píng)價(jià)；在CTS-Ⅰ，0°位錯(cuò)限制在兩個(gè)孿晶界之間，到達(dá)孿晶時(shí)變?yōu)?0°位錯(cuò)，CRSS取決于60°位錯(cuò)與孿晶反應(yīng)的能量勢(shì)壘和位錯(cuò)能；對(duì)于CTS-Ⅱ模式，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)類似于CTS-Ⅰ，能量勢(shì)壘由與孿晶界反應(yīng)的0°位錯(cuò)確定。隨著切應(yīng)力的增加，與孿晶界反應(yīng)的0°和60°位錯(cuò)的激活能分別在19GPa和48GPa的切應(yīng)力下達(dá)到0，這些應(yīng)力被認(rèn)為是位錯(cuò)各自的能量勢(shì)壘。

圖1 int-金剛石微結(jié)構(gòu)及其滑動(dòng)模式示意圖

通過Sachs模型模擬金剛石的硬度，在孿晶層厚度為0.62nm時(shí)，int-金剛石的硬度為668GPa，比nt-金剛石（401GPa）高約67%。采用MD模擬研究了多晶金剛石的屈服強(qiáng)度，孿晶厚度為5.5和1.2nm時(shí)，int-金剛石的屈服強(qiáng)度為165GPa；nt-金剛石屈服強(qiáng)度分別為154和161GPa；ng-金剛石屈服強(qiáng)度為140GPa，這些結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了Sachs模型的模擬結(jié)果。（文：破風(fēng)）

圖2 模擬計(jì)算的int-金剛石、nt-金剛石和ng-金剛石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線