中科院金屬所Matter：原子分辨率電子層析三維重構技術解析晶界的三維原子結構?

晶界（GBs）是晶體材料中最重要的晶體缺陷和最廣泛存在的界面之一。晶界的結構和行為決定了材料的力學性能和許多物理特性。上個世紀，通過使用光學顯微鏡、電子背散射衍射（EBSD）和透射電子顯微鏡（TEM）等二維（2D）表征技術來理解GB的幾何結構已經取得了相當大的進展，多晶體中的晶體學研究通常是基于相鄰晶粒之間的晶體學關系，而不是對界面上實際原子位置及其相互作用的詳細描述，而是從整體幾何角度來考慮的。場離子顯微術（FIM）是20世紀60年代以來發展起來的一項重要技術，在高分辨率表征GB結構方面做出了重要貢獻。然而，根據Fortes和Smith的研究，由于各種限制因素，很難從FIM譜圖推斷出GB處的原子排列。到目前為止，人們對GBs的結構還很不清楚。例如，如聚焦離子束層析成像和X射線層析成像所示， GBs的整體幾何結構并不理想，它們并不總是處于熱力學平衡狀態。此外，使用分子動力學（MD）模擬，Smith和Farkas最近證明了松弛隨機GB結構在納米尺度上可以是顯著的非平面結構。此外，GB結構在很大程度上取決于溫度、應力和許多其他因素。

近日，中科院金屬所杜奎研究員課題組，以“Three-Dimensional Atomic Structure of Grain Boundaries Resolved by Atomic-Resolution Electron Tomography”為題在Matter期刊上發表重要研究成果。作者利用原子分辨電子層析三維重構技術，解析了納米金屬中GBs的三維原子結構和晶體學。不同于傳統的描述，即它們是具有一維平移對稱性的直線或曲面平面，作者表明，由于與結構單元配置相關的曲率起伏，大角度GBs完全失去了平移對稱性。此外，作者直接在單原子尺度下觀察位錯型GBs中的扭折和割階，并研究它們的活動性。該研究結果為傳統的GBs帶來了新的見解，并顯示了開發包含GBs的非平面性質的方法在建模研究中對GBs行為進行統計評估的重要性。

本文以納米多孔金（NPG）為模型材料。NPG樣品是專門為電子層析掃描實驗而設計的，通過直接從感興趣區域到外邊緣基板的大厚度梯度的多孔合金箔進行脫合金。原子分辨率電子層析掃描是基于沿著單個軸的像差校正的HAADF-STEM圖像的傾斜序列進行的（如圖1A中的示意圖）。圖1B顯示了通過納米分辨率的電子層析成像獲得的NPG樣品的3D微觀結構和具有原子分辨率的3D重構單晶NPG韌帶。對層析重建的三維功率譜（圖1C）進行了詳細分析，結果表明層析成像的分辨率達到0.53?。

圖1.?NPG韌帶的三維電子層析掃描。

作者利用原子分辨電子層析技術，對含不同晶界的雙晶和多晶的三維原子結構進行了解析。例如，圖2A顯示了包含隨機GB的NPG韌帶的三維重建。GB的原子分辨的橫截面（圖2B）表明，這兩種晶體具有不同的晶體取向。此外，重建了由四個晶體組成的多晶韌帶（圖2C、2D）。通過在三維真實空間中傾斜重建的多晶體，成功地確定了所有晶體的取向關系。根據方位圖（圖2C中的插圖），這三個GBs可被識別為一般GBs。

圖2. 多晶的三維原子尺度定向分析。

基于原子分辨電子層析掃描結果，系統地研究了GBs的三維晶體學和原子結構。圖3A顯示了大角度GB的三維重建。通過對兩種晶體的原子坐標進行歸一化處理，確定了晶界的晶體學參數，即晶界的旋轉軸和旋轉角（圖3B）分別為[0,0.73,0.69]和27.0?。圖3A中，GB平面位于上半晶體的附近。此外，基于3D重建分析了GB的3D原子結構。結果表明，GB可以用D型和E型SUs和五邊形（以下稱為P型SUs）的組合來描述。特別是首次實驗性地確定了P型SUs的三維原子結構。重建結果（圖3C）表明，P型SU具有十面體構型，這在理論上是在幾十年前提出的，但從未得到直接解釋。接下來，用兩個向量（從一個原子到它的兩個隨機最近鄰原子）之間的特征角來描述GB結構（圖3D）。

圖3. 高角度GB的三維原子結構。

綜上所述，作者利用原子分辨電子層析三維重構技術，首次直接解析了納米金屬中一般GBs的三維原子結構。作者預計，原子分辨率電子層析成像技術所揭示的新見解將極大地促進人們對一般GBs結構的理解，從而為研究界面的基本問題打開大門，如界面運動、分離、相變、擴散和缺陷相互作用等具有三維原子分辨率的材料。

文獻鏈接：Wang et al., Three-Dimensional Atomic Structure of Grain Boundaries Resolved by Atomic-Resolution Electron Tomography, Matter?(2020), DOI: 10.1016/j.matt.2020.09.003.

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520305014.

本文由科研百曉生供稿。

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