大多數(shù)工程材料都具有多相微結(jié)構(gòu)。它們要么通過控制相平衡，要么像制備薄膜那樣通過不同材料的疊加而產(chǎn)生。在這兩個(gè)過程中，為了達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)，微觀結(jié)構(gòu)通過內(nèi)部界面的相互作用而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)弛豫。與塊體中增加系統(tǒng)能量的位錯(cuò)不同，在異質(zhì)界面引入錯(cuò)配位錯(cuò)能夠釋放晶格錯(cuò)配應(yīng)變和相應(yīng)的應(yīng)變能，進(jìn)而使材料系統(tǒng)趨向更穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。這些錯(cuò)配位錯(cuò)被界面周圍的壓縮和拉伸應(yīng)變場(chǎng)所包圍，并對(duì)異相系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響，比如，界面粘附、傳質(zhì)和界面電荷分布等。因此，根本上理解錯(cuò)配位錯(cuò)，界面結(jié)構(gòu)與化學(xué)，和功能三者之間的動(dòng)態(tài)耦合一直是一個(gè)長(zhǎng)期的研究課題。但由于錯(cuò)配位錯(cuò)埋藏在材料界面內(nèi)部，加上原子尺度下的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的困難性，直接探測(cè)動(dòng)態(tài)的錯(cuò)配位錯(cuò)和動(dòng)態(tài)界面一直是一個(gè)主要的挑戰(zhàn)。透射電子顯微鏡（TEM）是少數(shù)能夠直接觀測(cè)埋藏的位錯(cuò)的工具之一，能夠在原子尺度下闡明錯(cuò)配位錯(cuò)的位、結(jié)構(gòu)和界面錯(cuò)配度，但所有這些研究都是基于靜態(tài)的結(jié)構(gòu)。顯然，人們更渴望在界面相變過程中實(shí)時(shí)觀測(cè)并理解錯(cuò)配位錯(cuò)在界面的動(dòng)態(tài)行為。但利用傳統(tǒng)的顯微技術(shù)這幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗枰┘訜岷突瘜W(xué)反應(yīng)來驅(qū)動(dòng)界面轉(zhuǎn)變，同時(shí)，還需要在原子尺度下實(shí)時(shí)捕捉快速演變的界面。

為了解決這個(gè)科學(xué)和技術(shù)難題，在這項(xiàng)工作中，周光文團(tuán)隊(duì)利用環(huán)境原位透射電鏡（ETEM）通過氫氣氣氛和高溫加熱來激活Cu₂O/Cu界面反應(yīng)，同時(shí)在高時(shí)間和空間分辨率上觀測(cè)Cu₂O→Cu界面轉(zhuǎn)變。Cu₂O/Cu界面被選為模型系統(tǒng)，這是因?yàn)樗诙嘞啻呋?、氣體傳感、太陽能轉(zhuǎn)換和排放控制等諸多技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著突出的作用。

實(shí)驗(yàn)過程中，周光文團(tuán)隊(duì)捕獲了一個(gè)由界面錯(cuò)位調(diào)控的走走停停式的（間歇的）界面相變行為。通過將這些原位原子尺度的觀測(cè)結(jié)果與密度泛函理論（DFT）模擬相結(jié)合，周光文團(tuán)隊(duì)提出界面位錯(cuò)延遲界面相變是由于界面位錯(cuò)攀移需要補(bǔ)足界面位錯(cuò)核中缺失的金屬原子，而這些原子需要經(jīng)過長(zhǎng)程擴(kuò)散到界面位錯(cuò)。因?yàn)殄e(cuò)配位錯(cuò)代表了異相界面上一種重要且普遍存在的結(jié)構(gòu)缺陷，相關(guān)的界面相變?cè)诙喾N材料系統(tǒng)、性能和反應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)演化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，如冶金、薄膜材料制備、催化和腐蝕等。所以，本文報(bào)道的現(xiàn)象具有廣泛的相關(guān)性和重要的工程意義。

原位氧化金屬銅單晶薄膜所形成的Cu₂O/Cu界面為觀察錯(cuò)配位錯(cuò)和界面相變的動(dòng)態(tài)相互作用提供了理想的平臺(tái)。Cu和Cu₂O本身具有較大的晶格錯(cuò)配度（約14.5%），所以熱力學(xué)上是無法形成穩(wěn)定的共格界面。一系列錯(cuò)配位錯(cuò)的引入能夠有效地釋放界面應(yīng)變能，進(jìn)而導(dǎo)致半共格界面的產(chǎn)生。

H₂容易在Cu₂O表面與晶格O反應(yīng)生成H₂O分子。隨著H₂O分子的表面解吸，氧化表面伴隨O空位的形成。由于晶格O只需要克服很小的能壘就能從Cu₂O/Cu界面擴(kuò)散到表面，所以表面O空位也可以很容易地向Cu₂O/Cu界面遷移。

在界面原子臺(tái)階前晶格O的次去缺失后，相鄰的Cu原子自發(fā)地向O空位位置進(jìn)行橫向弛豫，導(dǎo)致它們與底層的Cu晶格完美匹配。Cu原子向O空位位置的橫向弛豫導(dǎo)致界面原子臺(tái)階前出現(xiàn)Cu空位團(tuán)。Cu空位團(tuán)的形成是由于Cu₂O側(cè)與Cu側(cè)相匹配的Cu原子數(shù)量較少。正是這些結(jié)構(gòu)弛豫產(chǎn)生的Cu空位團(tuán)使界面原子臺(tái)階流動(dòng)釘扎在界面位錯(cuò)核位置。只有當(dāng)銅空位團(tuán)被額外的銅原子完全填充后，界面原子臺(tái)階才會(huì)恢復(fù)流動(dòng)，相變繼續(xù)發(fā)生。因此，界面位錯(cuò)線整體向上攀移到新的Cu₂O/Cu界面是界面原子臺(tái)階恢復(fù)相變的必要條件。

實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果證明位錯(cuò)攀移所需要的原子需從Cu基體長(zhǎng)程擴(kuò)散到界面位錯(cuò)核處，這一過程中，界面相變處于暫停狀態(tài)直至攀移完成。鑒于界面臺(tái)階流動(dòng)機(jī)制在固-固相變過程中的普遍存在，錯(cuò)配位錯(cuò)在調(diào)節(jié)固-固相變動(dòng)力學(xué)中的重要作用可能直接適用于氧化反應(yīng)、氮化反應(yīng)、硫化反應(yīng)、硅化反應(yīng)、相析出反應(yīng)、固相置換反應(yīng)，及互擴(kuò)散形成的多層結(jié)構(gòu)等，其中控制界面相變的原子過程與本工作中有很多相關(guān)性，包括界面臺(tái)階、錯(cuò)配位錯(cuò)和空位輔助擴(kuò)散等。

該工作得到了美國(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室材料科學(xué)與工程學(xué)部的支持（DE-SC0001135）。