固相轉變是幾乎所有類別材料最普遍的物理化學過程之一，在材料的結構控制和效能調整等一系列過程中發揮著重要作用。特別是在外部刺激的誘導下，
從一種單晶到另一種單晶的轉變，即單晶到單晶（SCSC）的轉變，透過自適應的晶格重構過程，在創造新材料方面顯示出巨大的潛力，
因此在材料科學領域受到了相當多的研究關註。需要註意的是，在典型的單晶材料和多孔單晶中，剛性化學鍵和晶格的空間約束會主要限制 SCSC 轉變。在這種情況下，人們普遍認識到迫切需要全面了解典型材料 SCSC 轉變的微觀機理，以控制這些過程並創造新的功能結構和材料。單晶-單晶（SCSC）相變對於先進材料的可控合成具有重要意義。從這個角度來看，在原子尺度上理解單晶-單晶相變過程中的結構動力學對其在許多學科中的套用至關重要，然而，由於缺乏直接有效的實驗探針，這仍然是一個巨大的挑戰。
來自南昌大學的學者 利用原位透射電子顯微鏡完整地觀察了加熱誘導結構轉變過程中單斜基體中六方相的成核和生長的原子尺度機制 。整個過程包括幾個不同的步驟，即缺陷生成、相成核、相生長和傳播。特別是，研究發現新的六方相在基體中富含缺陷的高能表面區域成核，隨後在舊的單斜相和新的六方相之間以晶格匹配的方式生長，從而在整個轉變過程中保持了產物相的單晶性質，即使在多個點離散成核的情況下也是如此。 這些發現為理解固態相變的微觀機制和動力學提供了重要啟示 。相關工作以題為「Direct observation on single-crystal-to-single-crystal transformation via lattice-matched nucleation and growth」的研究性文章發表在Acta Materialia。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119206
圖 1. TiS3 奈米帶的特性及其加熱時的相變。(a) TiS3 奈米帶的光學影像；插圖：照片顯示了合成的 TiS3 的針狀形態。(b) TiS3 奈米帶的 STEM 影像以及相應的 S 和 Ti元素 EDS 圖譜。(c) 隨機選取的奈米帶的明場 TEM 影像。(d) 沿[001]區軸線拍攝的 TiS3 奈米帶的 SAED 圖樣。(e) TiS3 奈米帶的 HRTEM 影像。(f) TiS3 的層狀結構示意圖。(g) 氮氣流動條件下 TiS3 的 TG-DSC 曲線。在 400 ℃ 至 600 ℃ 的溫度區域觀察到 22% 的重量損失。. (h) TiS3 奈米帶從室溫加熱到 500 ℃ 時的原位拉曼測量。橙色和黃色箭頭表示 TiS3（Ag，在 400 ℃ 以下存在）和 TiS2 的振動模式。
圖 2. 原位 TEM 加熱過程中從 TiS3 到 TiS2 的結構轉變。(a-c）透過假色突出 HRTEM 影像中不同相域的影像處理序列。(a) 在 500 ℃ 時從 TiS3 轉變為 TiS2 的過程中捕獲的具有代表性的 HRTEM 影像。(b) (a) 的相應 FFT 圖樣。黃色和綠色圈點分別表示 TiS3 和 TiS2 相。(c) 透過反向 FFT 技術，遮蔽（b）中分別代表 TiS3 和 TiS2 相位的圈點，獲得的假色相位圖。右圖顯示的是兩相合成的結果。(d) 假彩色 HRTEM 影像序列（相應的非彩色 HRTEM 影像序列見圖 S2）表明，奈米帶透過 SCSC 轉化途徑在很寬的溫度範圍內（從 300 ℃ 到 650 ℃）從 TiS3 形成了 TiS2。插圖為相應的 FFT 圖樣。白色箭頭表示 400 ℃ 時的缺陷富集區。(e) (d) 的相應示意圖顯示了三步 SCSC 轉化機制。(f) 沿著 [001] 方向觀察 TiS3晶體的結構示意圖（左圖）和相應的模擬電子繞射圖（右圖）。(g) 沿[1011]方向觀察 TiS2 晶體的結構示意圖和相應的模擬電子繞射圖（右圖）。在（f-g）中，Ti 原子（藍色）和 S 原子（黃色）的共價半徑。
圖 3. 透過從 TiS3 到 TiS2 的晶格匹配轉變實作 SCSC 過渡的原子尺度機制和動力學。(a) 序列 HRTEM 影像顯示了 TiS3（黃色）奈米帶邊緣部份 TiS2 相（綠色）的成核子動力學。黑線表示 TiS2|TiS3界面。(b) 示意圖顯示了兩個不同系列的 TiS2|TiS3界面的晶體學資訊。沿界面的 TiS2 相（綠色）和 TiS3 相（黃色）的晶格平面分別沿[1011]和[001]區軸顯示。(c) 原位HRTEM 影像系列顯示了 TiS3 基質中 TiS2 相的生長軌跡。TiS2|TiS3界面也用黑線標出。圖 S7 中顯示了 (c) 的相應 FFT 圖案序列。(d) (c) 中所示 TiS2|TiS3 界面的相應時間標記等值線圖。(e) (c)中 01:08 幀 TiS2|TiS3界面上 TiS2 的 (1012) 晶格面（綠色）和 TiS3 的 (200) 晶格面（橙色）的距離分布。
圖 4. 關於 TiS3向 TiS2 的 SCSC 轉化機制的理論計算。TiS3（a）（020）和（b）（200）表面上不同硫空位（VS）位點（S1 和 S2）的側檢視和俯檢視，以及（c）相應的硫空位形成能值。(d) 從[010]（上）和[100]（下）方向觀察 TiS3 向 TiS2 轉變的示意圖。(e) TiS2(1210)|TiS3 (020) 和 (f) TiS2(1012)|TiS3 (200) 界面的電荷密度差分布。
紫色和橙色分別表示電荷積累和耗盡。
本研究利用 TEM 原位加熱技術直接觀察到了 TiS3 奈米帶的結構轉變，形成了單晶 TiS2 相。單斜六方 SCSC 轉變途徑在原子尺度上表現出三步機制，包括缺陷生成、TiS2 相成核和 TiS2 相生長。結構轉變似乎始於奈米帶的邊緣部份，然後新相的生長依賴於以晶格匹配的方式與基體的親密接觸。此外，進一步的 DFT 計算從能量的角度對轉化機制和動力學過程進行了合理化和詳細化。我們的研究為固態體系中的 SCSC 轉化機制和動力學提供了新的基本認識，並可能為更好地控制先進功能材料的這些過程鋪平道路。(文：SSC)
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