金属所实现晶界三维原子结构成像

晶界作为材料中广泛存在的重要缺陷，它的结构和行为很大程度上决定了多晶材料的物理、化学和力学性能。一个多世纪以来，晶界结构和行为的研究一直是材料科学的一个研究焦点。虽然透射电子显微技术的发展已经将材料研究推进到亚埃尺度，但是由于晶界结构本身的复杂性以及传统透射电镜二维投影成像模式的限制，人们对实际晶体材料中的晶界结构的认知还极其有限。因此，从实验上实现晶界三维原子结构成像对深入认识晶界具有重要意义。 

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，金属所沈阳材料科学国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。 

与传统研究中普遍认为的晶界具有一维平移周期性不同，该研究表明实际晶体材料中大角晶界的结构单元在三维空间不具有平移周期性。晶界原子配位数分析与曲率分布表明大角晶界的结构单元分布与晶界局部曲率有关。小角晶界的三维重构结果表明晶界位错形成了大量割阶和扭折。从三维原子尺度对割阶和扭折直接成像从实验上证实了半个多世纪前理论上提出的位错割阶和扭折模型。基于晶界原子坐标，可以同时获得晶界的晶体学信息与三维原子结构，由此能够全面解析晶界结构信息。通过电子层析三维重构技术所获得的晶界三维原子结构为后续晶界实验研究与计算模拟提供了重要参考，可以推动晶界结构与行为、晶界-位错交互作用的研究。 

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。 

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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