中科院金属所Matter：原子分辨率电子层析三维重构技术解析晶界的三维原子结构

来源：材料人

晶界（GBs）是晶体材料中最重要的晶体缺陷和最广泛存在的界面之一。晶界的结构和行为决定了材料的力学性能和许多物理特性。上个世纪，通过使用光学显微镜、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）等二维（2D）表征技术来理解GB的几何结构已经取得了相当大的进展，多晶体中的晶体学研究通常是基于相邻晶粒之间的晶体学关系，而不是对界面上实际原子位置及其相互作用的详细描述，而是从整体几何角度来考虑的。场离子显微术（FIM）是20世纪60年代以来发展起来的一项重要技术，在高分辨率表征GB结构方面做出了重要贡献。然而，根据Fortes和Smith的研究，由于各种限制因素，很难从FIM谱图推断出GB处的原子排列。到目前为止，人们对GBs的结构还很不清楚。例如，如聚焦离子束层析成像和X射线层析成像所示， GBs的整体几何结构并不理想，它们并不总是处于热力学平衡状态。此外，使用分子动力学（MD）模拟，Smith和Farkas最近证明了松弛随机GB结构在纳米尺度上可以是显著的非平面结构。此外，GB结构在很大程度上取决于温度、应力和许多其他因素。

近日，中科院金属所杜奎研究员课题组，以“Three-Dimensional Atomic Structure of Grain Boundaries Resolved by Atomic-Resolution Electron Tomography”为题在Matter期刊上发表重要研究成果。作者利用原子分辨电子层析三维重构技术，解析了纳米金属中GBs的三维原子结构和晶体学。不同于传统的描述，即它们是具有一维平移对称性的直线或曲面平面，作者表明，由于与结构单元配置相关的曲率起伏，大角度GBs完全失去了平移对称性。此外，作者直接在单原子尺度下观察位错型GBs中的扭折和割阶，并研究它们的活动性。该研究结果为传统的GBs带来了新的见解，并显示了开发包含GBs的非平面性质的方法在建模研究中对GBs行为进行统计评估的重要性。

本文以纳米多孔金（NPG）为模型材料。NPG样品是专门为电子层析扫描实验而设计的，通过直接从感兴趣区域到外边缘基板的大厚度梯度的多孔合金箔进行脱合金。原子分辨率电子层析扫描是基于沿着单个轴的像差校正的HAADF-STEM图像的倾斜序列进行的（如图1A中的示意图）。图1B显示了通过纳米分辨率的电子层析成像获得的NPG样品的3D微观结构和具有原子分辨率的3D重构单晶NPG韧带。对层析重建的三维功率谱（图1C）进行了详细分析，结果表明层析成像的分辨率达到0.53Å。

图1. NPG韧带的三维电子层析扫描。

作者利用原子分辨电子层析技术，对含不同晶界的双晶和多晶的三维原子结构进行了解析。例如，图2A显示了包含随机GB的NPG韧带的三维重建。GB的原子分辨的横截面（图2B）表明，这两种晶体具有不同的晶体取向。此外，重建了由四个晶体组成的多晶韧带（图2C、2D）。通过在三维真实空间中倾斜重建的多晶体，成功地确定了所有晶体的取向关系。根据方位图（图2C中的插图），这三个GBs可被识别为一般GBs。

图2. 多晶的三维原子尺度定向分析。

基于原子分辨电子层析扫描结果，系统地研究了GBs的三维晶体学和原子结构。图3A显示了大角度GB的三维重建。通过对两种晶体的原子坐标进行归一化处理，确定了晶界的晶体学参数，即晶界的旋转轴和旋转角（图3B）分别为[0,0.73,0.69]和27.0〫。图3A中，GB平面位于上半晶体的附近。此外，基于3D重建分析了GB的3D原子结构。结果表明，GB可以用D型和E型SUs和五边形（以下称为P型SUs）的组合来描述。特别是首次实验性地确定了P型SUs的三维原子结构。重建结果（图3C）表明，P型SU具有十面体构型，这在理论上是在几十年前提出的，但从未得到直接解释。接下来，用两个向量（从一个原子到它的两个随机最近邻原子）之间的特征角来描述GB结构（图3D）。

图3. 高角度GB的三维原子结构。