10M Ni-Mn-Ga单晶中高迁移率I型和超迁移率II型孪晶界的原子拓扑结构解析

为解决磁性形状记忆合金中孪晶界超迁移性的结构机制问题，研究人员通过透射电子显微镜（TEM）首次在原子尺度揭示了10M Ni-Mn-Ga单晶中I型（1 MPa）和II型（0.1 MPa）孪晶界的拓扑差异，发现II型孪晶界通过原子级锐利但阶梯状分形结构实现超低应力驱动，为功能材料界面设计提供新范式。

　　

在磁性形状记忆合金领域，Ni-Mn-Ga合金的磁致应变效应（MFIS）一直备受关注。这种效应源于马氏体变体间孪晶界（TB）在外场下的迁移能力，其中II型孪晶界展现出的"超迁移性"（仅需0.1 MPa应力即可运动）尤其令人费解。过去理论认为这种特性可能源于边界结构的弥散性，但缺乏原子尺度证据，成为制约材料性能优化的关键瓶颈。

捷克科学院物理研究所（FZU – Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences）的Ladislav Straka团队在《Scripta Materialia》发表的研究，通过创新性实验设计破解了这一难题。研究人员选取具有明确宏观迁移特性的10M Ni₅₀Mn₂₈Ga₂₂单晶，结合聚焦离子束（FIB）制备特定取向的TEM薄片，在[010]晶带轴下采用高分辨TEM（HRTEM）首次实现了对两类孪晶界的原子级成像。关键技术包括：1）从宏观表征（应力-应变曲线）筛选出明确类型的孪晶界；2）设计(010)截面使易磁化轴（c-axis）位于薄片平面内以抑制磁场干扰；3）通过伪立方坐标系（a=5.965 ?, c=5.585 ?）解析原子排列。

研究结果部分：

原子级锐利的I型孪晶界

HRTEM显示I型边界严格沿(101)有理晶面延伸（图3a-c），晶格对角线夹角δ=7.53°与理论计算一致。这种完美原子匹配解释了其较高应力需求（1 MPa）和温度敏感性（～0.04 MPa/K）。

分形结构的II型孪晶界

突破性发现II型边界虽整体偏离(101)面约4°，但由原子级锐利的刻面组成（图3d-f）。每个刻面平均跨越14个原子间距，表面存在单原子台阶。这种"预缺陷"结构显著降低位错形核能垒，支持Shilo模型的分形界面理论，完美解释其0.1 MPa超低驱动应力。

弹性各向异性的协同作用

研究强调Ni-Mn-Ga极低的剪切弹性常数（C'≈0.1 GPa）是两类边界均具高迁移性的基础，而II型边界的分形拓扑进一步将能垒降低一个数量级。

这项研究颠覆了传统认知：II型孪晶界的超迁移性并非源于弥散界面，而是原子级锐利但分形排列的特殊拓扑所致。该发现为设计新型磁控功能材料提供了明确的结构调控靶点，特别是通过控制界面台阶密度来精确调节孪晶界迁移势垒。未来研究需攻克不同晶向TEM样品制备的技术挑战，以完整构建三维拓扑模型。