不混溶金属复合材料的界面相互作用奥秘！
编辑推荐：文章展示了一种新型策略，通过光谱显微镜以揭示界面的相互作用。同时对样品的形态和光谱数据进行记录和分析，揭示了有关界面电子状态的关键信息。以w-cu为模型，实验定量分析钨铜的连通性，明确了钨铜之间的条件键合。还进一步用化学方法重建了具有最强相互作用的特定w-cu界面，并研究了其原子结构。提出了w-cu键合机理，并通过第一性原理计算进行了验证。上述方法有望成为深入理解不互溶复合材料的通用方法，例如表征掺杂不混溶复合材料和硬质合金中的界面相互作用。
不混溶金属复合材料在现代工业中发挥着不可替代的作用，例如，w-cu复合材料。研究w-cu系统的经典技术是电子显微镜和x射线光谱。然而，一些关键的结构和物理信息很难通过这些流行的方法获得，例如连通性。另一方面w和cu之间的相互作用也是充满争议的领域。
北京工业大学开发了一种新的策略来实验表征w/cu边界的连通性和相互作用。通过实验所得光谱与模拟光谱进行了比较，发现w/cu界面的连通性和相互作用具有独特的特征。因此，w和cu相的连通性可以被量化，而w/cu界面上的界面结合也可以得到明显的证明。为了进一步了解w/cu键合的性质，并且采用水化学反应重建了相互作用最强的w/cu界面。记录了这些界面的原子结构，并通过第一性原理计算对其进行了分析。在此基础上，讨论了强钨铜相互作用的起源。虽然目前的研究工作主要集中在w-cu复合材料上，但该研究策略适用于任何不相混溶的金属体系，可以揭示传统技术难以获得的关键信息。相关论文以题为“uncover the mystery of interfacial interactions in immiscible composites by spectroscopic microscopy： a case study with w-cu”发表在journal of materials science & technology。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.03.014
图1w和cu粉末的光谱表征。（a）和（b）不同直径w粉末的bf和df光谱。（c）和（d）不同直径的铜粉的各种直径的铜粉的bf和df光谱。虚线表示光谱中每个波段的峰值位置。图中的灰色区域表示 wi 和 cui 波段的范围。bf光谱中的wvi，wvii，cuvi和cuvii在df光谱中消失，而四个新波段出现。它们分别被标记为wv+，wv-，cuv+和cuv-。因此，wvi，wvii，cuvi和cuvii应来自光反射，而wv +，wv-，cuv +和cuv-应来自散射。wv，wviii，cuv和cuviii波段可能具有复杂起源。
图2 w-cu复合材料的实验和模拟光谱。（a） w-cu界面的三种潜在情况。（b）（c）w-cu样品的bf和df光谱。（d）和（e）计算得到rn值作为样品 1 实验 w 和 cu bf 和df光谱的函数。最小 rn值由红色圆圈标记。（f）和（g）具有最小rn的实验和模拟w-cu bf和df光谱。 大部分rn来自450-500 nm之间的两个小峰，对应wvi（或cuvi）和wvii（或cuvii）波段
图3 钨与铜相互作用的光谱证据。（a）实验和模拟的w-cu样品df/bf光谱。（b） w粉孵育cu溶液的时间推移-近红外光谱。（c） w粉末与cu（ii）溶液孵育后的df图像。（d）含有铜晶体的代表性区域的放大bf图像。比例尺：10µm。（e）含铜晶体区域的df/bf光谱。红色虚线是在527nm。
图4 w-cu相互作用的晶体学表征。（a）（b）（c）（d）附着一层薄铜的w颗粒的tem、hr-tem图像、衍射图和eds元素映射。（e）在光学显微镜中发现的铜晶体的tem图像选定区域衍射图绿色（f）衍射图黄色（g）hr-tem图（h）。（i， j）支撑cu晶体生长的w的hr-tem图像。（k） w-w-cu三叉的hr-tem图像。目前的显微光谱不仅迅速确定了w-cu键合的存在，而且可以揭示其对电子结构的影响。
图5 钨铜键合的第一性原理研究。弛豫前后w（110）/cu（200）和w（110）-d/cu（200） 的界面结构，（a）黄色方框区域的lcd图和lcdd图，（b）黄色方框区域的lcd图和lcdd图：（a）和（b）中黄色框区域的ldos。结果表明，w（110）-d/cu（200）的局部键合增强，应能产生新的光谱特征。
综上所述，研究开发了一种新颖的策略来揭示w-cu复合材料中尚未通过常规实验技术获得的隐藏信息。首次量化w和cu相的连通性，反映电子的迁移率。观察到w和cu之间存在很强的相互作用。表征原子结构，发现w和cu之间存在条件键合，为了形成相互夹杂的w-cu层，需要一个无序w表面。第一性原理计算表明，无序w表面能够以较低的能量成本容纳cu晶体。上述发现可以深入了解w-cu系统，并为未来的实验设计提供见解。
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不混溶金属复合材料在现代工业中发挥着不可替代的作用，例如，w-cu复合材料。研究w-cu系统的经典技术是电子显微镜和x射线光谱。然而，一些关键的结构和物理信息很难通过这些流行的方法获得，例如连通性。另一方面w和cu之间的相互作用也是充满争议的领域。
北京工业大学开发了一种新的策略来实验表征w/cu边界的连通性和相互作用。通过实验所得光谱与模拟光谱进行了比较，发现w/cu界面的连通性和相互作用具有独特的特征。因此，w和cu相的连通性可以被量化，而w/cu界面上的界面结合也可以得到明显的证明。为了进一步了解w/cu键合的性质，并且采用水化学反应重建了相互作用最强的w/cu界面。记录了这些界面的原子结构，并通过第一性原理计算对其进行了分析。在此基础上，讨论了强钨铜相互作用的起源。虽然目前的研究工作主要集中在w-cu复合材料上，但该研究策略适用于任何不相混溶的金属体系，可以揭示传统技术难以获得的关键信息。相关论文以题为“uncover the mystery of interfacial interactions in immiscible composites by spectroscopic microscopy： a case study with w-cu”发表在journal of materials science & technology。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.03.014
图1w和cu粉末的光谱表征。（a）和（b）不同直径w粉末的bf和df光谱。（c）和（d）不同直径的铜粉的各种直径的铜粉的bf和df光谱。虚线表示光谱中每个波段的峰值位置。图中的灰色区域表示 wi 和 cui 波段的范围。bf光谱中的wvi，wvii，cuvi和cuvii在df光谱中消失，而四个新波段出现。它们分别被标记为wv+，wv-，cuv+和cuv-。因此，wvi，wvii，cuvi和cuvii应来自光反射，而wv +，wv-，cuv +和cuv-应来自散射。wv，wviii，cuv和cuviii波段可能具有复杂起源。
图2 w-cu复合材料的实验和模拟光谱。（a） w-cu界面的三种潜在情况。（b）（c）w-cu样品的bf和df光谱。（d）和（e）计算得到rn值作为样品 1 实验 w 和 cu bf 和df光谱的函数。最小 rn值由红色圆圈标记。（f）和（g）具有最小rn的实验和模拟w-cu bf和df光谱。 大部分rn来自450-500 nm之间的两个小峰，对应wvi（或cuvi）和wvii（或cuvii）波段
图3 钨与铜相互作用的光谱证据。（a）实验和模拟的w-cu样品df/bf光谱。（b） w粉孵育cu溶液的时间推移-近红外光谱。（c） w粉末与cu（ii）溶液孵育后的df图像。（d）含有铜晶体的代表性区域的放大bf图像。比例尺：10µm。（e）含铜晶体区域的df/bf光谱。红色虚线是在527nm。
图4 w-cu相互作用的晶体学表征。（a）（b）（c）（d）附着一层薄铜的w颗粒的tem、hr-tem图像、衍射图和eds元素映射。（e）在光学显微镜中发现的铜晶体的tem图像选定区域衍射图绿色（f）衍射图黄色（g）hr-tem图（h）。（i， j）支撑cu晶体生长的w的hr-tem图像。（k） w-w-cu三叉的hr-tem图像。目前的显微光谱不仅迅速确定了w-cu键合的存在，而且可以揭示其对电子结构的影响。
图5 钨铜键合的第一性原理研究。弛豫前后w（110）/cu（200）和w（110）-d/cu（200） 的界面结构，（a）黄色方框区域的lcd图和lcdd图，（b）黄色方框区域的lcd图和lcdd图：（a）和（b）中黄色框区域的ldos。结果表明，w（110）-d/cu（200）的局部键合增强，应能产生新的光谱特征。
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