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金屬所等實現(xiàn)晶界三維原子結(jié)構(gòu)成像
2021年01月07日 11:35:37 來源：金屬研究所 點擊量：3908


　　目前，傳統(tǒng)透射電子顯微技術(shù)(包括透射成像或掃描透射成像)可以對百納米厚度的樣品進行形貌和原子結(jié)構(gòu)的投影成像。盡管像差校正技術(shù)已將透射電鏡的分辨率提高到亞埃尺度，但二維投影包含的有限性信息極易使人們對材料真實三維結(jié)構(gòu)的認識產(chǎn)生偏差甚至誤解。因此，通過三維成像直接從納米，甚至原子尺度解析材料的三維結(jié)構(gòu)變得尤為重要。電子層析三維重構(gòu)技術(shù)(Electron Tomography)是電子顯微術(shù)與計算

【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】晶界作為材料中廣泛存在的重要缺陷，它的結(jié)構(gòu)和行為很大程度上決定了多晶材料的物理、化學和力學性能。晶界結(jié)構(gòu)和行為的研究一直是材料科學的研究焦點之一。雖然透射電子顯微技術(shù)的發(fā)展已將材料研究推進到亞埃尺度，但是由于晶界結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性以及傳統(tǒng)透射電鏡二維投影成像模式的限制，人們對實際晶體材料中的晶界結(jié)構(gòu)的認知極其有限。因此，從實驗上實現(xiàn)晶界三維原子結(jié)構(gòu)成像對深入認識晶界具有重要意義。
 
　　目前，傳統(tǒng)透射電子顯微技術(shù)(包括透射成像或掃描透射成像)可以對百納米厚度的樣品進行形貌和原子結(jié)構(gòu)的投影成像。盡管像差校正技術(shù)已將透射電鏡的分辨率提高到亞埃尺度，但二維投影包含的有限性信息極易使人們對材料真實三維結(jié)構(gòu)的認識產(chǎn)生偏差甚至誤解。因此，通過三維成像直接從納米，甚至原子尺度解析材料的三維結(jié)構(gòu)變得尤為重要。電子層析三維重構(gòu)技術(shù)(Electron Tomography)是電子顯微術(shù)與計算機圖像處理相結(jié)合而形成的一門具有重要應(yīng)用前景的新技術(shù)。近年來，隨著電子顯微鏡、計算機技術(shù)和圖像處理算法的發(fā)展，電子層析三維重構(gòu)技術(shù)在生物、化學和材料科學等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
 
　　近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料結(jié)構(gòu)與缺陷研究部杜奎課題組與合作者實現(xiàn)了原子分辨率電子層析三維重構(gòu)技術(shù)，并解析了金屬晶界的三維原子結(jié)構(gòu)，包括大角的結(jié)構(gòu)單元型晶界和小角的位錯型晶界。相關(guān)研究結(jié)果以Three-Dimensional Atomic Structure of Grain Boundaries Resolved by Atomic-Resolution Electron Tomography為題，發(fā)表在Matter上。
 
　　與傳統(tǒng)研究中普遍認為的晶界具有一維平移周期性不同，該研究表明實際晶體材料中大角晶界的結(jié)構(gòu)單元在三維空間不具有平移周期性。晶界原子配位數(shù)分析與曲率分布表明大角晶界的結(jié)構(gòu)單元分布與晶界局部曲率有關(guān)。小角晶界的三維重構(gòu)結(jié)果表明晶界位錯形成了大量割階和扭折。從三維原子尺度對割階和扭折直接成像，從實驗上證實了半個多世紀前理論上提出的位錯割階和扭折模型。基于晶界原子坐標，可以同時獲得晶界的晶體學信息與三維原子結(jié)構(gòu)，由此可全面解析晶界結(jié)構(gòu)信息。通過電子層析三維重構(gòu)技術(shù)獲得的晶界三維原子結(jié)構(gòu)，為后續(xù)晶界實驗研究與計算模擬提供了重要參考，并推動晶界結(jié)構(gòu)與行為、晶界-位錯交互作用的研究。
 
　　研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等的資助。
 
圖1.雙晶及多晶金屬的原子分辨率電子層析三維重構(gòu)
 
　　圖2.大角晶界(結(jié)構(gòu)單元型晶界)的三維原子結(jié)構(gòu)、晶界原子配位數(shù)與結(jié)構(gòu)單元組態(tài)分析
 
圖3.小角晶界(位錯型晶界)的三維原子結(jié)構(gòu)、晶界位錯的扭折和割階組態(tài)及行為
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