通过特殊工艺处理调控某些晶界类型的增殖可对晶体材料的性质产生一系列独特的增益，比如：小角度晶界的引入不仅能显著影响塑性、耐腐蚀性以及电学活性，还能作为薄膜纳米结构自组装和量子点有序化排列的模板。尽管大量文献已经报道了纯倾斜和纯扭转类型的小角度晶界形成机制、位错结构和性质，但仍缺乏对常见的小角度混合倾斜扭转晶界的研究。理论上，晶界的结构和性质受限于晶界的五个宏观自由度，具有一定的关联性，但相应的量化表征非常困难；建立适用于任意晶界的结构-性质关联性模型成为了相关研究中的一大挑战。

   近日，南昌大学高等研究院在无机材料知名期刊Acta Materialia发表了题为“Structures and energies of computed silicon (001) small angle mixed grain boundaries as a function of three macroscopic characters”的文章。论文的第一作者为邹文楠课题组的硕士研究生万伟，通讯作者是来自南昌大学光伏研究院的助理研究员唐昌新，其硕士论文和博士论文的指导老师均为邹文楠教授，现在也是邹文楠课题组的成员。

   本文以分子动力学模拟为主要研究工具，辅以理论分析和实验观测，报道了硅(001)面上由三个晶界特征确定的小角度混合晶界的位错结构和能量，阐明了小角度倾斜晶界和小角度扭转晶界在不同旋转角下形成小角度混合晶界的结构机制：虽然混合晶界的位错网络可以分解为倾斜部分和扭转部分，但整体结构不完全是倾斜晶界和扭转晶界的简单叠加，因为晶界上出现了螺位错的相对滑移，刃位错上的位错反应和不同位错弹性场的相干效应，导致能量自发降低。通过自主开发的代码“GB-Gen”在原子尺度上复现宏观位错结构，通过研究稳态和亚稳态晶界的位错结构和能量变化，动态地展示了稳态位错网络的形成过程。模拟结果表明混合晶界的位错结构仅与倾斜角和扭转角之间的比例（倾斜扭转比）有关，为此本文提出了一种能量模型，在假设晶界能量损失正比于位错密度损失的前提下，认为混合晶界能量是倾斜晶界能量与扭转晶界能量之和减去位错反应衰减和位错弹性场相干衰减，对描述晶界结构-能量关联性的Read-Shockley方程进行了修正，通过与基于连续介质理论的小角度晶界能量近似解以及TEM实验图像对比，验证了相关结论的有效性。

图1 硅(001)面上的纯倾斜，纯扭转和混合晶界在不同倾斜角和扭转角下的位错结构

图2 晶界能量作为倾斜角θ，扭转角ϕ和旋转角ω的函数：(a)，(b)和(c)分别是晶界总能，位错核心能和位错弹性能作为倾斜角和扭转角的函数；(d) 晶界总能作为旋转角的函数；(e) 对修正方程拟合误差的检验。

   本文针对小角度混合晶界的形成机制提出的Read-Shockley方程的高维修正形式为实验与模拟中报道的晶界能量分布趋势提供了合理的解释，是预测晶界结构-能量关联性的重要理论依据，对于设计调控纳米尺度结构与器件具有基础性意义。论文在投稿时得到了审稿人的高度评价，认为“作者用于推导修正方程的计算非常系统且合理(It seems that their computations are very systematic and reasonable to obtain the revised functional form)”，“其重要性在于模拟了此前未曾研究过的混合晶界(It is very significant that they have done a mix of two components. To my knowledge, no such simulation has been performed)”。“此文为许多实验科学家提供了非常有用的观点，强烈建议发表(This paper provides very useful insights for many experimental researchers, and is strongly recommended for publication in Acta Materialia)”。

   《材料学报》（Acta Materialia）是Pergamon-Elsevier出版的材料科学领域的一区Top 期刊，创刊于1996年，旨在及时、准确、全面地报道国际材料科学前沿，综合研究者在该领域取得的最新研究成果、工作进展及学术动态、技术革新等，促进学术交流，鼓励学术创新，2023年影响因子为9.4。

   论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119353