背景介绍

随着纳米器件特征尺寸逐渐缩小至亚20纳米尺度，纳米金属的力学性能对器件的可靠性和服役寿命起着决定性作用。与块体材料不同，纳米金属在受力时表现出独特的变形行为：一方面，位错在截断源处形核、滑移后在表面湮灭，导致“位错饥饿”和“越小越强”的特性；另一方面，原子扩散速率随尺寸减小而显著增加，引发“越小越弱”的现象，并带来自愈合、超塑性、伪弹性等新奇力学行为。位错动力学与原子扩散之间的竞争，成为决定金属纳米晶体力学性能的关键。此前研究多集中于高热稳定性金属（如Au、Pt、Ag），然而对于低熔点金属（如Pb、Bi、Sn、In），其变形机制和临界尺寸尚不明确。

成果简介

淮阴师范学院张弘韬等与东南大学孙立涛教授团队合作，基于原位透射电子显微学技术，系统探究了5–20 nm 铅颗粒的变形机制。研究人员在原子尺度上直接观察到了扩散诱导的赝弹性变形和位错触发的塑性变形，并确定了二者转变的临界尺寸为7.1 nm。

研究发现：当Pb颗粒尺寸小于7.1 nm时，表面原子扩散逐渐占据主导，颗粒表现出类似液体的赝弹性行为—在压缩和拉伸后能够自发收缩并恢复初始形状；当尺寸大于7.1 nm时，位错活动被激活，逐渐主导塑性变形，同时伴随1–6 nm厚表面原子层的扩散。即使对于较大的Pb颗粒，表面扩散仍显著影响其变形过程。表面能最小化提供了原子扩散和变形后尺寸依赖球形形貌的驱动力。

基于弹性应变能与位错形成能的竞争，研究人员建立了半定量理论模型：表面扩散能（∝ γD²）与位错形成能（∝ DlnD）随尺寸变化规律不同。当颗粒尺寸减小至纳米尺度时，表面扩散在能量上优于位错形核，从而预测出纳米量级的临界尺寸，与实验观察到的7.1 nm在数量级上一致。该工作为低熔点金属纳米晶的尺寸效应提供了直接的实验证据和理论解释。

图文导读

图1 扩散诱导的赝弹性变形过程。

研究人员对6 nm和10 nm的 Pb颗粒分别进行了原位压缩和拉伸测试，均观察到类液态的赝弹性行为，并在原子尺度下观察到诱发这一行为的表面原子扩散过程。

图2 位错介导的塑性变形过程。

在另一些Pb颗粒中，研究人员观察到了由位错动力学主导的塑性变形。在持续拉伸应力下，位错滑移并在孪晶界处湮灭。同时，研究还捕捉到了层错的形成和消失、孪晶-断裂过程。

图3 尺寸依赖的变形机制统计与临界尺寸。

通过对约40个Pb颗粒的统计分析，研究人员发现最大应变（拉伸极限）随颗粒尺寸增大呈现微弱下降趋势。所有位移变形过程仅在特征尺寸大于7.1 nm的Pb颗粒中观察到，研究人员提出，这一临界尺寸与晶体的尺寸依赖熔点有关：当颗粒尺寸小于6.9 nm时，室温高于0.6T_m，原子扩散主导变形；当尺寸大于6.9 nm时，位移变形和扩散变形均不能单独主导。基于熔点-尺寸关系的理论计算与实验观察的7.1 nm临界尺寸高度吻合。

图4 大尺寸颗粒的变形与表面扩散统计。

对于约20 nm的大尺寸Pb颗粒，研究人员观察到了典型的扩散介导拉伸变形过程。颗粒表面在靠近针尖的前端发生快速减薄，导致晶体应变有限（约20%）。统计显示，所有Pb颗粒的收缩长度均在1–6 nm范围内，与颗粒尺寸无明显依赖关系。此外，断裂后Pb晶体的稳定前端形状均趋于近圆形，曲率半径与颗粒尺寸呈线性关系。

图5 扩散驱动的位移式力学行为—退孪晶与位错活动。

进一步研究观察到扩散驱动的退孪晶与位错活动，理论分析表明当尺寸减小至纳米尺度时，表面能最小化产生的驱动力足以促使位错滑移，同时表面扩散（∝ γD²）在能量上优于位错形核（∝ DlnD），从而预测出纳米量级的临界尺寸，与实验观察到的7.1 nm在数量级上一致。该发现揭示了原子扩散与位错动力学之间并非相互独立，而是存在直接的耦合关系。

作者简介

张弘韬，男，博士研究生，现任职于淮阴师范学院物理与电子信息学院。长期从事基于原位透射电镜的纳米材料结构与物性研究，包括纳米材料的生长机制、塑性变形行为以及热场作用下表/界面结构演化等领域。

文章信息

Zhang H, Zhu C, Xiong Y, et al. Size-dependent mechanical deformation mechanisms in sub-20 nm lead crystals. Nano Research, 2026, https://doi.org/10.26599/NR.2026.94909186.

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