有充分证据表明，金 (Au)在环境温度下在约 150 至 600 GPa 的压力范围内从面心立方 (fcc) 结构转变为六方密排 (hcp) 结构，正如在静态压缩下通过实验验证的那样金刚石砧座实验或通过从头计算进行理论预测那样。此外，由于 5p 态和 5d 带之间的杂化，预计体心立方 (bcc) 结构在较高压力下是稳定的。元素 Au冲击压缩下的高压实验表明，贵金属在高达 150和 223 GPa的压力下保持其典型的 fcc 结构，但在更高的压力下开始转变为 bcc 结构.这种相变是可能的，因为不仅压力非常高，而且伴随冲击压缩的温度升高也很大。

Smirnov的第一性原理计算很好地再现了这些实验和理论结果，他绘制了更全面的温度和压力范围（高达 104 K 和高达 500 GPa）。发现在非常高的压力下向 bcc 结构的转变是令人惊讶的，因为 bcc 结构的堆积密度低于起始 fcc 结构。然而，这种相变的机制尚不清楚。仅认识到 bcc 相是熵稳定的。

然而，来自韩国首尔大学的学者的研究表明，这些条件可能不是必需的。在这项研究中，用于透射电子显微镜 (TEM) 的 Au 薄膜样本在TEM 的电子束照射下经历了从面心立方 (fcc) 到 bcc结构的转变。Au 薄膜样品中的某些区域在电子束照射期间被选择性地减薄。薄区域被认为由于其有限的尺寸而受到入射电子的电子激发的能量沉积的局部化，这导致该区域被加热。在激发中，俄歇衰变是 Au 加热的可能来源。由于俄歇衰变引起的温度升高被成功地模拟为伴随着薄区域的应力发展。有时，薄区域会从面心立方 (fcc) 相过渡到 bcc 相。fcc 基体和 bcc 相具有类似于钢中 fcc 到 bcc 相变中发现的取向关系，这表明向 bcc 结构的转变是通过位移机制发生的。这表明薄膜形态促进了相变，电子束辐射和应力发展引起的晶体缺陷稳定了更开放的 bcc 结构。相关文章以“Transition to body-centered cubic structure in Au thin films under electron-beam irradiation”标题发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118759

图 1. 表面法线方向为 [0 0 1] 的 Au 薄膜的高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM) 观察结果。(a) 在光束直径为 75 nm (~91 A cm^–2) 的电子束照射下薄区域的HRTEM 图像的时间序列。(b) 在 (a) 中显示的 4 m 36 s 拍摄的图像，全边缘位错标记为“T”，相应的应变场为 ε_xx、ε_yy 和 ε_xy。(c) (a) 中 5 米 17 秒时拍摄的图像中虚线框的快速傅立叶变换 (FFT)。(d) 在 (a) 中以 5 米 17 秒拍摄的整个图像的FFT。

图 2. 表面法线方向为 [0 1 1] 的 Au 薄膜的HRTEM 观察结果。(a) 在光束直径为 75 nm (~91 A cm^–2) 的电子束照射下薄区域的 HRTEM 图像的时间序列。(b) (a) 中 5 米 43 秒时拍摄的图像中虚线框的 FFT。(c) (b) 中薄区域的FFT 叠加在 5 米 43 秒时拍摄的图像中的矩阵的 FFT 上。对于（a）所示的5 m 43 s拍摄的图像，bcc转换区域的面积较小，因此包括bcc转换区域和周围矩阵的区域的FFT没有清楚地揭示方向关系（OR）在两个阶段之间。通过分别获得 bcc 区域（红色点）和同一区域周围矩阵（蓝色点）的 FFT 并将它们重叠，揭示了两个阶段之间的 OR。

图 3. 用于计算温度和解析剪应力的有限元分析 (FEA) 模型。在光束直径为 75 nm 的电子束照射下，Au 薄膜被模拟为具有 2 μm × 2 μm 的面积和 10 nm 的厚度。照射区域显示有选择性的薄区域，对于 FEA，假设其厚度为 1 nm，直径为 1 nm。

图 4. FEA 计算的俄歇衰变导致的温度升高。(a) 温度突然升高的峰值是由薄区域中的俄歇衰变引起的，该区域在 (b) 中以对数时间尺度放大。(c) 矩阵的贡献微不足道。温度升高每 3.3 μs 发生一次。

图 5 固定时间为 1 ps 时薄层区域的温度分布。(a) 表面法线方向为 [0 0 1] 的薄区域分布。(b) 表面法线方向为 [0 1 1] 的薄区域分布。(c) 固定时间为 1 ps 的温度-距离图。薄区域体积的平均温度为 1100 K

图 6. 薄区域中最大分解剪切应力 (RSS) 的分布。(a) 表面法线方向为 [0 0 1] 的薄区域分布。(b) 表面法线方向为 [0 1 1] 的薄区域分布。

总之，这项研究是第一份关于可能由有限尺寸效应触发的 Au 中的 fcc to bcc 结构转变的实验报告。对于感兴趣的纳米级区域，似乎可以肯定的是，热量局限在一个小体积内，导致该体积与其周围环境之间产生温差，从而产生热应力。考虑到周围基质与 bcc 转变区域之间的取向关系，可以得出结论，向 bcc 结构的转变是通过薄区域温度升高引起的应力发展引起的位移机制发生的。两相之间的取向关系表明相变可能通过位错运动介导的位移机制发生。位错可以由电子轰击和由束加热可能从周围基质和新相之间的界面引起的塑性变形提供。Smirnov认为 bcc Au 是熵稳定的。也就是说，它的形成可以通过填充缺陷来增强。由电子束照射和塑性变形引起的晶体缺陷似乎可以稳定更开放的 bcc 结构。本研究证明了其具有许多晶格缺陷，即空位和晶格位错，是由光束照射和塑性变形产生的。本研究进一步表明，薄膜形态促进了转变，因为薄膜形态对表面的相变没有晶格约束。结果表明，即使在中等高应力（高达几个 GPa）下，fcc 到 bcc 相变也是通过位移机制发生的，这种机制由位错的供应介导，并且在薄膜的情况下肯定会得到促进形貌与纳米级。这项研究促进了我们对 Au 中 fcc 到 bcc 转变背后机制的理解，从而帮助研究人员改进极端条件下元素固体的理论模型，并开发可在极端状态下制造的新材料。