Nature子刊 | 泽攸科技原位TEM助力氢稳定双相结构实现难熔钼纳米线延展性研究

2026-11-03
来源：安徽泽攸科技有限公司 400-810-0069转5600

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体心立方（BCC）难熔金属如Mo凭借高强度与热稳定性，是微纳机电系统与集成电路不可或缺的材料，其互连与部件在服役中需承受振动、冲击以及电迁移或热致应力等复杂机械载荷。然而BCC金属固有的低本征延展性严重制约了这些部件的可靠性能，特别是Mo纳米线在纳米尺度上面临普遍的变形局部化与过早裂纹萌生问题。传统的晶粒细化或引入第二相颗粒等延展性提升策略在纳米尺度并不适用，过度细化会诱发反Hall-Petch效应与晶界开裂，而低维结构中第二相颗粒的尺寸与分布亦难以精确控制。

因此在纳米尺度难熔金属中实现高均匀延展性以保障微器件的结构完整性与可靠性，仍是关键挑战。设计双相结构是克服强度-塑性权衡、实现大均匀伸长的潜在策略，软FCC相可容纳塑性变形而硬BCC相提供强度，亚稳相的应力诱导马氏体相变还能触发相变诱导塑性效应耗散机械能、显著提升韧性。但BCC相的高热力学稳定性使此类双相纳米结构难以制备。近期研究表明，间隙H的掺入可在纳米尺度稳定难熔金属中的非平衡相，为通过H介导的相控制提升难熔金属延展性、并规避传统氢脆（HE）提供了新途径。

针对上述问题，由武汉大学等组成的联合团队利用泽攸科技的原位TEM测量系统进行了深入研究，该团队通过高密度电流或电子束辐照在钼纳米线表面构筑氢稳定的FCC/BCC双相结构，实现了沿[011]方向约41.4%的均匀伸长，并从原子尺度阐明了氢介导的两步相变与位错形核协同提升延展性的物理机制。

标题：Hydrogen-stabilized dual-phase architecture enables ductility in refractory molybdenum nanowires

期刊：Nature Communications

本项研究首先聚焦于双相结构的构筑与相变过程表征。研究团队以FIB制备的单晶BCC Mo纳米线为对象，通过施加约400mV电偏压诱导电迁移，或采用束流强度约10?–10?A·cm??的电子束辐照，在纳米线表面形成FCC相。连续电子束辐照下FCC层厚度受限在表面约10个原子层以内，并可通过辐照条件重复调控。HAADF-STEM实时捕获到近表面区域两组{110}BCC晶面间夹角由90°逐渐变为70.5°，与{111}FCC晶面夹角相对应，测得FCC相晶格常数a≈4.17?，比无应力FCC-Mo的理论值（4.03?）大约3%。相变沿(011)BCC//(11?1)FCC半共格界面逐层进行，遵循(011)BCC//(11?1)FCC、[100]BCC//[110]FCC的Nishiyama-Wassermann（N-W）取向关系，几何相位分析表明该相变并非主要由大应变或曲率相关表面应力驱动。

研究随后聚焦于FCC相稳定性的物理根源。环形明场成像显示FCC区域八面体间隙位点无明显衬度，而相应的dCoM图像中这些位置出现清晰衬度，暗示间隙杂质掺杂稳定了FCC相。实验EELS谱表明FCC区等离子体峰能E_p相对BCC区仅偏移约?0.1至+0.3eV，而DFT结合Drude模型的计算显示，实验所得E_p远大于纯FCC-Mo，恰好落在FCC-MoH?.?至FCC-MoH的范围内。原子探针层析进一步排除了C、N、O的显著富集。虽然APT中的H信号不能作为氢存在的直接定量证据，但声子计算评估了FCC-MoH在拉伸应变下的稳定性，并预测FCC-MoH?.?在拉伸加载下动态不稳定，从而有利于应力诱导的FCC→BCC相变。综合实验与理论证据支持，间隙氢的掺入是FCC表面相得以稳定的关键因素。

此外研究还聚焦于双相纳米线的塑性变形机制。借助泽攸科技原位样品杆，团队在透射电镜内对直径约15nm的双相Mo纳米线沿轴向（即[011]）施加应变速率10??s??的定量单轴拉伸载荷，实时观察到表面FCC结构逐步转变为BCC，代表性双相样品在均匀伸长约45.2%后裂纹于表面萌生并沿(010)面扩展。代表性单相样品仅经历约12.4%的均匀伸长即出现裂纹萌生并发生灾难性失效。时序HRTEM揭示该相变并非经典N-W模型预测的单步剪切，而是由两次连续的T/4分数位错滑移构成的两步剪切路径，界面角α由80.6°逐步增大至接近90°。DFT计算表明MoH?.?体系第一步T/4剪切的能量成本约0.09eV·atom??，与随后一步相当，与实验观测的离散相变过程高度一致。

研究最终从能量学与位错动力学角度阐明了延展性提升的内在机制。DFT计算显示，无氢时BCC相最稳定，随H含量增加，FCC相在0.48<x<0.6区间内能量占优，且H的掺入不仅降低了相变势垒，还将相变能量景观重塑为类似广义层错能曲线的非单调轮廓。基于Rice准则的修正延性参数D=√(γ_s/γ_usf)分析表明，FCC相具有低于BCC相的不稳定层错能γ_usf而作为顺应软相，在低界面氢含量下D值显著高于BCC母相，从而抑制变形早期的表面裂纹萌生。Peierls势垒计算显示纯Mo螺位错迁移势垒为65meV·b??，低局域H浓度下降至34meV·b??促进位错运动，高浓度下升至83meV·b??起钉扎作用，但纳米线施加应力远超螺位错Peierls应力，迁移率调控并非延展性主导因素。TRIP效应与氢增强位错形核的协同作用使双相Mo纳米线实现平均约41.4%的均匀伸长，相对单相BCC纳米线提升约300%，且类似的BCC-to-FCC转变在钨纳米线中同样被观察到，为先进微纳器件中难熔金属互连的可靠性设计提供了新策略。