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。

审核编辑 ：李倩