納米材料的三維透射電鏡表征研究獲重要進展

　　大多數固體材料是由成千上萬個小晶體組成，這些小晶體的取向、大小、形狀以及它們在樣品內的三維空間分布和排列決定了材料的性能。最近，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室劉志權研究員與丹麥科技大學Ris?可持續能源國家實驗室、清華大學、美國約翰霍普金斯大學的科學家們共同合作，開發出了一種利用透射電子顯微鏡對納米材料進行直接三維定量表征的新方法，這一成果發表在5月13日出版的《科學》上。論文通訊作者為丹方科學家。

　　通常，材料內部的微觀結構信息是通過對截面樣品的二維觀察得到的，這種二維觀察不能提供材料內部小晶體在三維空間的相對分布和晶界特性等重要的微觀結構參數，從而制約了對材料微觀結構與宏觀性能相互關系的深刻理解和材料性能的改進和優化。近年來，在世界范圍內，科學家們就開發先進的微觀結構三維表征技術進行了不懈的努力探索，三維X-射線衍射技術的成功開發和應用就是一個重要例子。但是這種技術的空間分辨率只能達到100納米 (1納米=百萬分之一毫米）。本次合作開發的新的三維透射電子顯微技術其空間分辨率已達到1納米，比三維X-射線衍射技術提高了兩個數量級。

　　這種新的三維透射電鏡表征技術是表征納米材料的理想方法，它可對組成納米材料的各個小晶體進行精確描述，包括其各個晶體的取向、大小、形狀和在三維樣品內的空間位置等。下圖所示的是利用這種方法得到的納米金屬鋁的三維微觀結構特征圖的一個例子。圖中不同顏色表示不同的晶體取向，晶體的大小（從幾納米到約100納米）和形狀（伸長的或球體狀的）都能清晰地顯示出來。這些微觀結構參數的精確定量測定為理解和優化納米材料的性能提供了堅實的基礎。

　　這一方法的一個重要優點是它是一種“無損”的分析技術，即在微觀表征過程中不破壞樣品，因此它可用來研究納米材料微觀結構在外加條件下（如加熱或變形）的演變過程，從而為研究納米材料的動態行為開辟了新的途徑。

　　納米金屬鋁的三維微觀結構特征圖清晰地顯示了樣品內各個晶體在三維空間的形狀、大小和位置。圖中不同顏色表示不同的晶體取向。