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金屬所實現晶界三維原子結構成像
 
2020-12-08 | 文章来源:材料结构与缺陷研究部        【 】【打印】【關閉

  晶界作爲材料中廣泛存在的重要缺陷,它的結構和行爲很大程度上決定了多晶材料的物理、化學和力學性能。一個多世紀以來,晶界結構和行爲的研究一直是材料科學的一個研究焦點。雖然透射電子顯微技術的發展已經將材料研究推進到亞埃尺度,但是由于晶界結構本身的複雜性以及傳統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構的認知還極其有限。因此,從實驗上實現晶界三維原子結構成像對深入認識晶界具有重要意義。 

  目前,传统透射电子显微技术(包括透射成像或者扫描透射成像)可以对百纳米厚度的样品进行形貌和原子结构的投影成像。尽管像差校正技术已将透射电镜的分辨率提高到亚埃尺度,但是二维投影所包含的有限性信息极易使人们对材料真实三维结构的认识产生偏差甚至误解。因此,通过三维成像直接从纳米,甚至原子尺度解析材料的三维结构变得尤为重要。电子层析三维重构技术(Electron Tomography)是电子显微术与计算机图像处理相结合而形成的一门具有重要应用前景的新技术。近年来,随着电子显微镜、计算机技术和图像处理算法的飞速发展,电子层析三维重构技术在生物、化学和材料科学等领域得到了越来越广泛的应用。 

  近日,金屬所沈陽材料科學國家研究中心材料结构与缺陷研究部杜奎课题组与合作者实现了原子分辨率电子层析三维重构技术,并成功地解析了金属晶界的三维原子结构,包括大角的结构单元型晶界和小角的位错型晶界。这一研究结果以“Three-Dimensional Atomic Structure of Grain Boundaries Resolved by Atomic-Resolution Electron Tomography”为题发表在《Matter》上。 

  與傳統研究中普遍認爲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構單元在三維空間不具有平移周期性。晶界原子配位數分析與曲率分布表明大角晶界的結構單元分布與晶界局部曲率有關。小角晶界的三維重構結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構,由此能夠全面解析晶界結構信息。通過電子層析三維重構技術所獲得的晶界三維原子結構爲後續晶界實驗研究與計算模擬提供了重要參考,可以推動晶界結構與行爲、晶界-位錯交互作用的研究。 

  該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。 

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图1 双晶及多晶金属的原子分辨率电子层析三维重构

图2 大角晶界(结构单元型晶界)的三维原子结构、晶界原子配位数与结构单元组态分析

图3 小角晶界(位错型晶界)的三维原子结构、晶界位错的扭折和割阶组态及行为

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