江西理工大学《APL》：揭示电流诱导晶体择优生长的机理！

放电等离子烧结（SPS）过程的强脉冲电流往往可赋予烧结材料特殊的微观组织，形成有别于传统烧结材料的精细结构。近期，江西理工大学材料冶金化学学部邓声华与中南大学袁铁锤教授、李瑞迪研究员合作，采用SPS热处理W/Co金属扩散偶，发现W/Co接合界面形成的金属间化合物晶体在大电流作用下，具有典型的择优生长特征。作者从电迁移效应导致各向异性原子扩散的角度解释了电流诱导晶体定向生长的物理机制。此项研究以“The preferential growth behaviors of the intermetallics at the W/Co interface during spark plasmasintering”为题发表在Applied Physics Letters上，且被评为Editor's Pick（编辑精选）并展示于该期刊主页。

论文链接：

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0026092

该工作分别采用SPS及热压（HP）方式制备了W/Co扩散偶。在对扩散界面形成的金属间化合物Co3W晶粒的取向进行表征后发现，相同热处理条件下采用两种方式获得的Co3W晶体生长行为存在显著差异。电流作用下Co3W为典型的柱状晶且具有择优生长取向。而无电流作用下其晶粒呈无规则生长且无择优生长现象，证明了高密度电流影响了晶体的生长取向。

图1 W/Co扩散偶界面

图2 采用SPS与HP热处理的W/Co界面形成的Co3W组织

为精确计算Co3W晶体在SPS电流作用下的生长取向，依据晶粒欧拉角与电流方向的空间几何关系，计算并统计了各晶粒的取向与电流方向的夹角。最终发现SPS过程Co3W晶粒在电流方向上倾向于沿[21_1_0] 及其等效晶向定向生长。

图3反应层Co3W晶粒晶向与电流方向之间的空间几何关系

表1 图3中各Co3W晶粒的[101_0]、[1_21_0]及[21_1_0]与电流方向夹角

为揭示高密度电流下晶体定向生长的物理机制。根据经典固体物理学观点及量子自由电子相关理论，推导了材料电导率大小（即电阻）取决于晶体点阵结构对电子流的散射作用的物理关系。有意思的是，经过对Co3W各个晶向的平均面原子密度（单位面积原子密度，反映了晶格对电流的散射）的计算发现，[21_1_0] 及其等效晶向恰好是面原子密度最小的方向（即电阻最小的方向）。也就是说，电流下晶体具有沿电阻最小方向生长的趋势。巧合的是，现有研究发现电流的电迁移效应可导致金属材料电阻降低。说这明电流作用下晶体的定向生长与电迁移效应有密切关联。基于此，作者提出晶体电阻各向异性—导致电迁移作用下原子扩散速度各向异性—导致晶体各晶向各向异性生长—导致晶体择优生长的物理模型，解释了电流作用下晶体定向生长的现象。

图4 Co3W晶体各个晶向上的平均面原子密度

综上，本文研究了W/Co扩散偶在SPS与HP热处理下，界面形成的金属间化合物Co3W晶体的生长行为，发现Co3W在高密度电流下具有择优生长现象。本文从电迁移诱导各向异性原子扩散角度阐明了电流诱导晶体择优生长的本征物理机制。研究结论将为电场辅助制备具有择优取向的材料提供新的思路和理论支撑。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。