悉尼大學《Nature Materials》:利用三維原子探針量化短程有序

一、 【研究背景】?

中/高熵合金（M/HEAs）是一類新興的合金材料。近年來，因其在潛在工程應用中展現出卓越的強度和延展性組合而備受關注。計算模擬和近期的多個實驗證據均表明這些合金中存在短程有序（SRO）現象。然而，由于在不同狀態下SRO的不同，及量化各原子對SRO的困難，引發了諸多關于SRO對材料性能尤其是機械性能影響的爭議。

二、【創新成果】

7月2日，悉尼大學副校長Simon Ringer教授團隊，何孟偉博士等利用三維原子探針（APT）揭示了中熵合金SRO在不同熱處理狀態下的奧秘，文章題為“Quantifying short-range order using atom probe tomography”, 發表在Nature Materials中（https://www.nature.com/articles/s41563-024-01912-1） 。

本文提出了一種利用APT測量SRO的新方法。該方法在平衡APT的局限性與SRO閾值的基礎上，繪制了保存原子近鄰信息的區域與信息缺失的區域。研究以標志性的CoCrNi中熵合金為例，對該方法進行應用并展示了該合金在不同熱處理條件下SRO的變化。此外，文章還利用了多種已發表的觀測SRO的方法（如透射電子顯微鏡及其他APT方法）進行交叉驗證，并對APT中可能影響SRO測量的因素進行了全面的分析。

合金中的SRO通常是指晶體中原子的三維有序排列或偏好性，它也被看作是材料中的“DNA”。不同的局部原子排列可能會顯著影響材料的電子、磁性、機械、光學和其他性能。該研究對理解材料中局部原子環境及從原子層面上調控和設計新型材料有著重要意義。

三、【數據概覽】

圖 1. 三維原子探針（APT）和原子偏好行為的示意圖。?Springer Nature

圖2 模擬APT探測器效率和空間分辨率對于SRO的影響及判斷實驗儀器探測極限與SRO的閾值。?Springer Nature

圖3. 重構后的三維原子拓撲圖和APT的分辨率評估。?Springer Nature

圖4. 基于APT的重建算法(Reconstitution)的建立與應用。?Springer Nature

圖 5.不同熱處理狀態下CoCrNi樣品的SRO對比。?Springer Nature

圖 6. 不同熱處理狀態下CoCrNi樣品的TEM能量過濾衍射圖和對應衍射強度分析。?Springer Nature

四、【總結展望】

該研究提供了一整套利用APT+重建算法對于不同熱處理狀態下CoCrNi合金短程有序的量化方法。通過該方法，實驗所得的真實三維原子結果可與計算模擬及其他實驗方法進行聯動，并進一步擴展到理解和設計中高熵合金及其他可能存在SRO的材料系統。

原文詳情：‘Quantifying short-range order using atom probe tomography’, is published in Nature Materials (DOI: https://www.nature.com/articles/s41563-024-01912-1).

本文由YZ供稿