引言
元素掺杂是调控材料力学、物理和化学性质最有效的方法之一[[1], [2], [3], [4]]。由于晶界（GBs）具有比晶粒内部更高的吉布斯自由能和更大的开放空间，材料中通常在晶界处发生溶质偏析，并对材料性能产生深远影响[[5], [6], [7], [8]]。因此，已有大量研究致力于探究溶质与晶界之间的相互作用[[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22]]，可分为两个方面：一是晶界结构如何影响溶质的偏析行为以及其驱动力是什么[[6], [7], [8], [9], [10], [11]]；二是溶质偏析如何调控晶界的结构和性能以及其影响范围有多广[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22]]。目前普遍认为，溶质的偏析行为取决于原始晶界的初始结构，且晶界偏析的影响是局域化的，因为溶质仅影响邻近原子的排列。
关于溶质偏析诱导晶界结构演化方面，已观察到三种不同现象。首先，当溶质的离子半径小于基体元素时，它们更倾向于占据晶界区域内的间隙位点[6,7,12,13]。其次，如果溶质与基体元素的离子半径相近，晶界偏析通常通过元素取代发生，且晶界的原子结构几乎保持不变[[9], [10], [11],[14], [15], [16], [17], [18], [19]]。在这种情况下，晶界偏析的影响应当是非常局域化的。此外，需要注意的是，在某些表现出晶界多晶态的体系中，通过晶界处元素取代的局域结构改性也可能发生[[23], [24], [25]]。第三，当溶质的离子半径远大于基体元素时，晶界结构的转变通常通过形成新的结构单元而发生，晶界结构发生显著变化[21,22]。然而，晶界偏析能否系统地改变相邻晶粒的相对取向仍然不清楚。
过去几十年中，单元素在晶界或其他界面处的偏析已被广泛研究。研究发现，诸多因素，如应变[10]、化学键[19]、自旋极化[26]、电子平衡[27,28]、势梯度[29,30]以及配位环境的适应[31]，均可作为溶质偏析的驱动力。与单元素偏析相比，多元素共偏析的行为和机制更为复杂，因为不同元素的偏析之间存在相互作用[13,18,20,32,33]，这限制了我们对该问题的理解。考虑到实际材料通常含有各种杂质，研究溶质共偏析不仅对深化我们对晶界偏析的认知具有重要科学价值，而且对通过元素掺杂改善材料性能也具有实际意义。
本研究利用扫描透射电子显微镜（STEM）和密度泛函理论（DFT）计算，研究了α-Fe2O3 (0001)原始态和共掺杂孪晶界（TBs）的原子结构和电子结构。研究发现，原始α-Fe2O3 (0001)孪晶界具有三种具有不同位移向量的原子结构。在Sr和Si共掺杂后，Fe2O3晶粒发生孪晶界改性，三种孪晶界最终演变为同一种孪晶界。对溶质共偏析的原子起源进行了分析。
