不混溶金屬復合材料的界面相互作用奧秘！

編輯推薦：文章展示了一種新型策略，通過光譜顯微鏡以揭示界面的相互作用。同時對樣品的形態(tài)和光譜數(shù)據(jù)進行記錄和分析，揭示了有關界面電子狀態(tài)的關鍵信息。以W-Cu為模型，實驗定量分析鎢銅的連通性，明確了鎢銅之間的條件鍵合。還進一步用化學方法重建了具有最強相互作用的特定W-Cu界面，并研究了其原子結(jié)構(gòu)。提出了W-Cu鍵合機理，并通過第一性原理計算進行了驗證。上述方法有望成為深入理解不互溶復合材料的通用方法，例如表征摻雜不混溶復合材料和硬質(zhì)合金中的界面相互作用。

不混溶金屬復合材料在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用，例如，W-Cu復合材料。研究W-Cu系統(tǒng)的經(jīng)典技術(shù)是電子顯微鏡和X射線光譜。然而，一些關鍵的結(jié)構(gòu)和物理信息很難通過這些流行的方法獲得，例如連通性。另一方面W和Cu之間的相互作用也是充滿爭議的領域。

北京工業(yè)大學開發(fā)了一種新的策略來實驗表征W/Cu邊界的連通性和相互作用。通過實驗所得光譜與模擬光譜進行了比較，發(fā)現(xiàn)W/Cu界面的連通性和相互作用具有獨特的特征。因此，W和Cu相的連通性可以被量化，而W/Cu界面上的界面結(jié)合也可以得到明顯的證明。為了進一步了解W/Cu鍵合的性質(zhì)，并且采用水化學反應重建了相互作用最強的W/Cu界面。記錄了這些界面的原子結(jié)構(gòu)，并通過第一性原理計算對其進行了分析。在此基礎上，討論了強鎢銅相互作用的起源。雖然目前的研究工作主要集中在W-Cu復合材料上，但該研究策略適用于任何不相混溶的金屬體系，可以揭示傳統(tǒng)技術(shù)難以獲得的關鍵信息。相關論文以題為“Uncover the mystery of interfacial interactions in immiscible composites by spectroscopic microscopy： A case study with W-Cu”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.03.014

圖1W和Cu粉末的光譜表征。（a）和（b）不同直徑W粉末的BF和DF光譜。（c）和（d）不同直徑的銅粉的各種直徑的銅粉的BF和DF光譜。虛線表示光譜中每個波段的峰值位置。圖中的灰色區(qū)域表示 WI 和 CuI 波段的范圍。BF光譜中的WVI，WVII，CuVI和CuVII在DF光譜中消失，而四個新波段出現(xiàn)。它們分別被標記為WV+，WV-，CuV+和CuV-。因此，WVI，WVII，CuVI和CuVII應來自光反射，而WV +，WV-，CuV +和CuV-應來自散射。WV，WVIII，CuV和CuVIII波段可能具有復雜起源。

圖2 W-Cu復合材料的實驗和模擬光譜。（a） W-Cu界面的三種潛在情況。（b）（c）W-Cu樣品的BF和DF光譜。（d）和（e）計算得到RN值作為樣品 1 實驗 W 和 Cu BF 和DF光譜的函數(shù)。最小 RN值由紅色圓圈標記。（f）和（g）具有最小RN的實驗和模擬W-Cu BF和DF光譜。 大部分RN來自450-500 nm之間的兩個小峰，對應WVI（或CuVI）和WVII（或CuVII）波段

圖3 鎢與銅相互作用的光譜證據(jù)。（a）實驗和模擬的W-Cu樣品DF/BF光譜。（b） W粉孵育Cu溶液的時間推移-近紅外光譜。（c） W粉末與Cu（II）溶液孵育后的DF圖像。（d）含有銅晶體的代表性區(qū)域的放大BF圖像。比例尺：10μm。（e）含銅晶體區(qū)域的DF/BF光譜。紅色虛線是在527nm。

圖4 W-Cu相互作用的晶體學表征。（a）（b）（c）（d）附著一層薄銅的W顆粒的TEM、HR-TEM圖像、衍射圖和EDS元素映射。（e）在光學顯微鏡中發(fā)現(xiàn)的銅晶體的TEM圖像選定區(qū)域衍射圖綠色（f）衍射圖黃色（g）HR-TEM圖（h）。（i， j）支撐Cu晶體生長的W的HR-TEM圖像。（k） W-W-Cu三叉的HR-TEM圖像。目前的顯微光譜不僅迅速確定了W-Cu鍵合的存在，而且可以揭示其對電子結(jié)構(gòu)的影響。

圖5 鎢銅鍵合的第一性原理研究。弛豫前后W（110）/Cu（200）和W（110）-d/Cu（200） 的界面結(jié)構(gòu)，（a）黃色方框區(qū)域的LCD圖和LCDD圖，（b）黃色方框區(qū)域的LCD圖和LCDD圖：（a）和（b）中黃色框區(qū)域的LDOS。結(jié)果表明，W（110）-d/Cu（200）的局部鍵合增強，應能產(chǎn)生新的光譜特征。

綜上所述，研究開發(fā)了一種新穎的策略來揭示W(wǎng)-Cu復合材料中尚未通過常規(guī)實驗技術(shù)獲得的隱藏信息。首次量化W和Cu相的連通性，反映電子的遷移率。觀察到W和Cu之間存在很強的相互作用。表征原子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)W和Cu之間存在條件鍵合，為了形成相互夾雜的W-Cu層，需要一個無序W表面。第一性原理計算表明，無序W表面能夠以較低的能量成本容納Cu晶體。上述發(fā)現(xiàn)可以深入了解W-Cu系統(tǒng)，并為未來的實驗設計提供見解。

審核編輯 ：李倩