符 銳，馮宗強(qiáng),2,3，黃曉旭,2,3

(1.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)(2.重慶大學(xué) 電子顯微鏡中心，重慶 400044)(3. 重慶大學(xué) 輕合金材料教育部國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

1 前 言

位錯(cuò)是晶體材料內(nèi)部的典型缺陷之一。位錯(cuò)的形成、分布和演化與材料的晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)密切相關(guān)，同時(shí)又深刻影響著材料的擴(kuò)散、相變、形變行為和諸多服役性能[1, 2]。通常，與位錯(cuò)相關(guān)的參量可分為3類[1, 2]:① 幾何參量，如位錯(cuò)長度、間距、密度、曲率和彎曲度等；② 晶體學(xué)參量，如位錯(cuò)類型、線方向、柏氏矢量、滑移面和滑移方向等；③ 能量參量，如位錯(cuò)位移場、應(yīng)力/應(yīng)變場、核芯能和彈性應(yīng)變能及其空間分布等。參量的多樣性、關(guān)聯(lián)性和復(fù)雜性深刻影響著位錯(cuò)的形態(tài)和空間組態(tài)特征，同時(shí)深刻影響著外場作用下位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)行為。深入研究位錯(cuò)特性與行為并在此基礎(chǔ)上開展材料性能設(shè)計(jì)成為材料研究與開發(fā)中的共性基礎(chǔ)科學(xué)問題之一。

傳統(tǒng)的位錯(cuò)表征方法或裝置包括表面法(surface methods)[2]、綴飾法(decoration methods)[3]、X射線顯微鏡(X-ray microscopy)[2]、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)[4]、透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy，TEM)、三維原子探針(three-dimensional atom probe，3DAP)[5]、場離子顯微鏡(field ion microscopy，F(xiàn)IM)[2]以及高分辨透射電子顯微鏡(high resolution transmission electron microscopy，HRTEM)等[6]，可以在不同尺度和維度上反映位錯(cuò)的形貌和晶體學(xué)特征(圖1)。然而，采用上述表征方法所得到的位錯(cuò)圖像，或者是位錯(cuò)與樣品表面的截面圖像，或者是位錯(cuò)結(jié)構(gòu)在采集像平面上的二維投影圖像均難以準(zhǔn)確反映位錯(cuò)的空間信息。例如，在研究位錯(cuò)之間或位錯(cuò)與其他缺陷的空間關(guān)系時(shí)，由于重疊與投影效應(yīng)無法通過二維圖像信息判斷位錯(cuò)之間是否相交，采用衍襯分析方法確定的柏氏矢量等位錯(cuò)晶體學(xué)信息無法與其空間幾何信息相耦合，這些局限性在很大程度上限制了人們對于眾多位錯(cuò)相關(guān)科學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律的準(zhǔn)確認(rèn)識。因此，開發(fā)先進(jìn)的位錯(cuò)多維多尺度表征技術(shù)，全面解析位錯(cuò)在三維空間中的幾何、晶體學(xué)和能量參量信息，對于深刻理解位錯(cuò)相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題、豐富完善位錯(cuò)理論具有重要意義。

圖1 不同尺度上位錯(cuò)的表征方法：(a)表面法光鏡成像[2]，(b)綴飾法光鏡成像[3]，(c)X射線成像[2]，(d)掃描電子顯微鏡-電子通道襯度成像[4]，(e)透射電子顯微鏡衍襯成像，(f)三維原子探針成像[5]，(g)場離子顯微鏡成像[2]，(h)高分辨透射電子顯微鏡成像[6]Fig.1 Characterization methods of dislocations at different length scales: (a) optical microscopy image after surface corrosion[2], (b) optical microscopy image after decoration[3], (c) X-ray topography image[2]， (d) SEM-electron channeling contrast image[4], (e) TEM diffraction contrast image, (f) 3DAP image[5], (g) FIM image[2], (h) HRTEM image[6]

近年來，基于同步輻射X射線、聚焦離子束(focused ion beam，F(xiàn)IB)顯微鏡、SEM和TEM等實(shí)驗(yàn)裝置，利用相位襯度、衍射襯度和原子序數(shù)襯度等成像原理，研究人員探索開發(fā)了一系列位錯(cuò)三維表征技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對位錯(cuò)幾何和晶體學(xué)信息的三維表征[7-37]，為位錯(cuò)相關(guān)科學(xué)問題的解決提供了新的技術(shù)支撐。下文將系統(tǒng)介紹基于同步輻射X射線、聚焦離子束-電子通道襯度成像(focused ion beam-electron channeling contrast imaging，F(xiàn)IB-ECCI)系統(tǒng)和TEM的位錯(cuò)三維重構(gòu)方法的技術(shù)類型、基本原理和應(yīng)用實(shí)例，對比討論上述重構(gòu)技術(shù)在分辨率、定量表征和參量信息耦合能力方面的優(yōu)劣特性；隨后介紹一種可以實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)幾何和晶體學(xué)特征參量高精度耦合表征的位錯(cuò)三維定量集成表征技術(shù)；最后，對各類位錯(cuò)三維表征技術(shù)特別是基于TEM的位錯(cuò)三維表征技術(shù)未來的發(fā)展趨勢和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了展望。

2 基于同步輻射X射線的位錯(cuò)三維表征技術(shù)

X射線衍射法是晶體結(jié)構(gòu)和缺陷研究中應(yīng)用最為廣泛的方法之一。X射線穿透晶體材料時(shí)，晶體內(nèi)部的局部畸變會造成X射線相位發(fā)生變化，利用迭代相位重建算法對衍射圖進(jìn)行處理即可獲得晶體中夾雜顆粒和位錯(cuò)等缺陷的形貌[38]?；谕捷椛鋁射線的位錯(cuò)三維表征技術(shù)是通過記錄包含位錯(cuò)的晶體在系列傾轉(zhuǎn)角度下的X射線衍射信號，利用特殊的圖像重構(gòu)算法處理獲得晶體中位錯(cuò)三維圖像的方法(圖2a)[7-14]。2001年，Ludwig等[7]首次嘗試采用X射線三維形貌重構(gòu)(“topo-tomography”)法來獲得位錯(cuò)組態(tài)的三維圖像，成功實(shí)現(xiàn)了對人造金剛石中位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的三維表征(圖2b和2c)。然而，由于空間分辨率所限，這種方法可表征的最大位錯(cuò)密度僅為1010m-2，難以滿足更高密度位錯(cuò)表征的需求。得益于新一代同步輻射源的高亮度、高相干性以及優(yōu)異的穿透能力和準(zhǔn)直性，研究人員開發(fā)了同步輻射X射線布拉格相干衍射成像(Bragg coherent diffraction imaging，BCDI)技術(shù)[8]，該技術(shù)在應(yīng)變?nèi)S動(dòng)態(tài)觀察方面呈現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢，空間和時(shí)間分辨率分別可達(dá)10 nm和10 fs[9]。基于第三代同步輻射光源，已有研究將BCDI技術(shù)應(yīng)用于位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的三維研究中[10-13]。其中，Clark等[11]基于BCDI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對方解石結(jié)晶和溶解過程中位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)變場的三維動(dòng)態(tài)表征(圖2d～2f)。Cherukara等[14]將BCDI技術(shù)與分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)合，在原子尺度重構(gòu)解析了螺位錯(cuò)的三維應(yīng)變場。BCDI技術(shù)無需使用衍射光學(xué)元件[15]，樣品處理方式簡單，實(shí)用性相對較強(qiáng)。同時(shí)，這一技術(shù)可以在大于180°傾轉(zhuǎn)范圍內(nèi)收集衍射信息，能夠有效減小傳統(tǒng)傾轉(zhuǎn)重構(gòu)方法中存在的損失楔(missing wedge)效應(yīng)。然而，由于采用BCDI技術(shù)重構(gòu)的直接信息為位錯(cuò)應(yīng)變場，當(dāng)圖像分辨率不足或位錯(cuò)密度較高時(shí)，對位錯(cuò)跡線和柏氏矢量等參量的定量分析將變得十分困難。同時(shí)，BCDI技術(shù)的圖像分辨率與光源質(zhì)量密切相關(guān)，由于目前先進(jìn)同步輻射光源的相對稀缺，利用該方法廣泛開展位錯(cuò)三維表征仍存在較大的技術(shù)障礙。目前，BCDI方法只限于一些納米顆粒內(nèi)部位錯(cuò)的三維成像。

圖2 “topo-tomography”方法數(shù)據(jù)采集的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(a)[7]；人造金剛石中位錯(cuò)的形貌(b)和三維重構(gòu)(c)照片[7]；螺位錯(cuò)的原子構(gòu)型圖(d)[11]；方解石晶體樣品生長和溶解過程中形態(tài)(e)和內(nèi)部位錯(cuò)結(jié)構(gòu)(f)的演化，圖2f中位錯(cuò)以彩色顯示[11]Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup for topo-tomographic data acquisition (a)[7]; topograph (b) and 3D reconstruction (c) images of dislocations in the synthetic diamond crystal[7]; schematic of atomic configuration of a screw dislocation (d)[11]; the evolution of morphology (e) and internal dislocation structure (f) within a calcite crystal during growth and dissolution, respectively, individual dislocations represented by colored shapes in Fig.2f[11]

3 基于聚焦離子束-電子通道襯度成像系統(tǒng)的位錯(cuò)三維表征技術(shù)

基于SEM的ECCI技術(shù)在晶體缺陷(例如位錯(cuò)、層錯(cuò)以及孿晶等)研究中具有重要的應(yīng)用[16-18]。該成像技術(shù)對試樣尺寸沒有特殊要求且視場大、樣品制備相對容易，進(jìn)一步結(jié)合FIB系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)對不同深度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的觀察，已將該結(jié)合表征技術(shù)應(yīng)用于壓痕、裂紋尖端以及磁性材料等特殊條件下的位錯(cuò)表征[18]。此外，將ECCI技術(shù)與FIB輔助系列切片技術(shù)相結(jié)合，還可以實(shí)現(xiàn)對晶體中位錯(cuò)的三維重構(gòu)。例如，Yamasaki等[19]基于FIB-ECCI系統(tǒng)獲得了一種鎳基高溫合金樣品系列深度上位錯(cuò)的電子通道襯度(electron channeling contrast, ECC)照片(圖3a)，通過圖像處理與重構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對位錯(cuò)的三維觀察(圖3b)，并結(jié)合晶體學(xué)取向分析進(jìn)一步確定了位錯(cuò)滑移面等晶體學(xué)信息(圖3b)，為位錯(cuò)行為研究提供了重要基礎(chǔ)。目前，利用FIB-ECCI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)三維表征仍面臨很多技術(shù)問題，比如，ECC圖像中的位錯(cuò)襯度對布拉格衍射條件非常敏感，不易獲得一系列高質(zhì)量的位錯(cuò)圖像[18]；當(dāng)存在多種背散射電子時(shí)位錯(cuò)圖像襯度解釋比較困難[18]；利用FIB進(jìn)行系列切片相對費(fèi)時(shí)且會對樣品造成不可逆的損壞，切片方向上的圖像分辨率較低等。此外，離子束輻照容易引入缺陷，導(dǎo)致研究人員對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成誤判。近年來，隨著場發(fā)射槍和探測器等技術(shù)的快速發(fā)展，利用ECCI技術(shù)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量位錯(cuò)圖像的高效采集已變得更加便捷可行，為進(jìn)一步發(fā)展基于FIB-ECCI系統(tǒng)的位錯(cuò)三維表征技術(shù)提供了有利條件。

圖3 鎳基高溫合金中位錯(cuò)的三維觀察[19]：(a)系列切片中一個(gè)代表性切片的電子通道襯度照片，(b)位錯(cuò)的三維重構(gòu)照片F(xiàn)ig.3 3D observation of dislocations in a Ni-based superalloy[19]: (a) ECC image of a representative crosssection from sectioning series, (b) 3D reconstruction image of dislocations

4 基于透射電子顯微鏡的位錯(cuò)三維表征技術(shù)

相比于同步輻射X射線和SEM，TEM具有空間分辨率高、成像模式和襯度多樣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于晶體材料中位錯(cuò)的分析和表征?；赥EM開發(fā)的位錯(cuò)三維表征技術(shù)是目前研究和應(yīng)用最為廣泛的位錯(cuò)三維表征技術(shù)，具體包括原子分辨率位錯(cuò)三維重構(gòu)技術(shù)和衍襯成像位錯(cuò)三維重構(gòu)技術(shù)2種，其中基于衍襯成像的重構(gòu)技術(shù)又可根據(jù)樣品傾轉(zhuǎn)特征分為基于體視學(xué)原理的位錯(cuò)三維重構(gòu)技術(shù)和基于系列傾轉(zhuǎn)的位錯(cuò)三維重構(gòu)技術(shù)[20-37]。此外，針對位錯(cuò)定量集成表征難題，近來作者團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于TEM衍襯成像的位錯(cuò)三維定量集成表征技術(shù)。下面分別對上述方法及其典型應(yīng)用進(jìn)行概述。

4.1 基于TEM的原子分辨率位錯(cuò)三維表征技術(shù)

位錯(cuò)核芯的原子結(jié)構(gòu)歷來都是位錯(cuò)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一?；趻呙柰干潆娮语@微鏡高角環(huán)形暗場(high angle annular dark-field scanning TEM, HAADF-STEM)成像，Chen等[20]將傳統(tǒng)系列傾轉(zhuǎn)三維圖像重構(gòu)方法與三維傅里葉濾波(3D Fourier filtering)方法相結(jié)合，通過獲取系列傾轉(zhuǎn)角度下的原子像及傅里葉轉(zhuǎn)換像，經(jīng)過三維傅里葉圖像重構(gòu)、濾波和反傅里葉轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了對納米鉑顆粒的原子分辨率重構(gòu)，觀察到了納米鉑顆粒內(nèi)部刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)核芯的三維原子構(gòu)型(圖4)。從重構(gòu)圖像的二維截面來看，刃位錯(cuò)核芯半原子面的三維原子結(jié)構(gòu)清晰可辨(圖4a～4c)，螺位錯(cuò)核芯的原子占位與經(jīng)典螺位錯(cuò)原子結(jié)構(gòu)模型完全一致(圖4d～4f)?；陬愃频脑臃直媛嗜S重構(gòu)方法，Wang等[21]獲得了納米多孔金晶界的三維原子重構(gòu)照片(圖5a)，可在原子尺度上直接觀察到小角晶界處位錯(cuò)核芯的三維結(jié)構(gòu)(圖5b)，并揭示了割階、扭折等位錯(cuò)微觀結(jié)構(gòu)特征(圖5c和5d)。上述原子分辨率位錯(cuò)三維表征技術(shù)的研發(fā)對于未來深入開展位錯(cuò)結(jié)構(gòu)特性及動(dòng)態(tài)行為的研究具有重要意義。然而，由于位錯(cuò)圖像采集需要同時(shí)滿足高分辨率和高角度系列傾轉(zhuǎn)的要求，適宜樣品目前僅限于直徑為20～30 nm的顆?；虿捎肍IB切割制備的直徑為數(shù)十納米的針尖樣品，并且需具有良好的耐電子束輻照能力。這一技術(shù)特性客觀上限制了原子分辨率位錯(cuò)三維表征技術(shù)在更大尺度和更廣領(lǐng)域中的應(yīng)用。

圖4 納米鉑顆粒中位錯(cuò)的三維重構(gòu)照片[20]：(a，d)重構(gòu)像從不同方向上觀察到的投影像；(b，c)圖4a中線框區(qū)域刃位錯(cuò)的相鄰切片觀察，紅點(diǎn)代表原子的位置，確定該刃位錯(cuò)的柏氏矢量為1/2[101]；(e)圖4d中線框區(qū)域螺位錯(cuò)的切片觀察，綠色點(diǎn)代表頂層原子，紅色點(diǎn)代表底層原子；(f)螺位錯(cuò)鋸齒狀原子構(gòu)型效果圖，確定該螺位錯(cuò)的柏氏矢量為1/2[011]，螺位錯(cuò)的寬度為～8.9 nmFig.4 3D reconstruction images of the dislocations in a Pt nanoparticle[20]: (a,d) projections of the reconstructed images from different directions; (b, c) two adjecent slices from the reconstructed edge dislocations corresponding to the dashed line region in Fig.4a, in which the red dots represent the position of the atoms, the Burgers vector of the edge dislocation determined to be 1/2[011]; (e) a slice from the reconstructed screw dislocation corresponding to the dashed line region in Fig.4d, in which the red and green dots are in the bottom and top layer, respectively; (f) surface rendering of the screw dislocation, the Burgers vector of the screw dislocation determined to be 1/2[011], and the width of the screw dislocation was estimated to be ～8.9 nm

圖5 納米多孔金的位錯(cuò)型晶界的三維原子重構(gòu)照片[21]：(a, b)位錯(cuò)型晶界的三維重構(gòu)，位錯(cuò)伯格斯矢量為1/2[1-10]，圖5a中插圖為對應(yīng)快速傅里葉轉(zhuǎn)換花樣，圖5b中插圖標(biāo)明了晶界上配位數(shù)大于12的原子(面心立方體系)，顏色根據(jù)配位數(shù)設(shè)定；(c, d)從不同方向上觀察到的3根位錯(cuò)，以不同顏色表示，可以看到割階和扭折Fig.5 3D atomic reconstruction images of a dislocation-type grain boundary (GB) in nanoporous gold[21]: (a, b) 3D reconstruction of a dislocation-type GB, Burgers vector of the dislocations determined as 1/2[1-10], inset in Fig.5a corresponded to fast Fourier transformation pattern, inset in Fig.5b emphasizes the atoms with coordination numbers other than 12 (fcc) in the GB, the GB atoms colored according to their coordination numbers; (c, d) projections of the three dislocations 1, 2 and 3 viewed along different directions, jogs and kinks directly observed in all dislocations

4.2 基于體視學(xué)原理的位錯(cuò)三維表征技術(shù)

體視學(xué)成像方法是利用研究對象從多個(gè)觀察視角獲得圖像的視差(parallax)來計(jì)算獲得樣品空間印象和深度信息的方法[22-24]。在TEM下基于體視學(xué)原理研究位錯(cuò)的空間形貌信息已有數(shù)十年的歷史，但通過這一技術(shù)所獲得的視差極易受到圖像襯度和放大倍數(shù)變化的影響，且深度分辨率和定量精度十分有限。近年來，研究人員通過優(yōu)化數(shù)據(jù)采集流程、提高圖像襯度和改進(jìn)定量分析算法，顯著提升了位錯(cuò)三維信息分析的效率和能力[22-26]。其中，Oveisi等[22, 23]基于體視學(xué)原理在掃描透射模式下利用透射盤圓周兩側(cè)束斑獲得了2個(gè)關(guān)聯(lián)視角下的位錯(cuò)圖像，并據(jù)此獲得了GaN薄膜中位錯(cuò)的立體圖像(圖6a)。同時(shí)，利用體視學(xué)算法重構(gòu)出了相應(yīng)的位錯(cuò)三維圖像，結(jié)合視差分析和路徑跟蹤算法確定了位錯(cuò)的可能跡線與深度信息(圖6b)。相比于傳統(tǒng)基于系列傾轉(zhuǎn)圖像的位錯(cuò)三維重構(gòu)方法，基于體視學(xué)原理的位錯(cuò)重構(gòu)方法無需大角度系列傾轉(zhuǎn)，因此也被稱為無傾轉(zhuǎn)位錯(cuò)三維重構(gòu)技術(shù)。Jácome等[24]對鎳基高溫合金中的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了體視學(xué)成像和三維重構(gòu)，確定了其局部位錯(cuò)片段的深度和線方向等參數(shù)(圖6c和6d)。在一些特定情況下，基于體視學(xué)原理采用單張位錯(cuò)圖像也可以實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)的三維重構(gòu)[25]，該方法簡單快捷，但需通過預(yù)先知道樣品的取向以及人為判斷位錯(cuò)的滑移面等來確定位錯(cuò)的幾何和晶體學(xué)特征，適用性十分有限。總的來說，基于體視學(xué)原理的位錯(cuò)三維重構(gòu)方法只需拍攝不同視角下的2張或很少幾張位錯(cuò)照片，初始數(shù)據(jù)采集量少，且能夠有效減少樣品的電子束輻照損傷，大幅提高重構(gòu)效率，在位錯(cuò)的三維動(dòng)態(tài)觀察方面具有重要的應(yīng)用潛力。但是，利用該方法確定位錯(cuò)跡線時(shí)需要對位錯(cuò)進(jìn)行手動(dòng)或半自動(dòng)分段處理和計(jì)算，測量精度和效率都會受到極大影響。同時(shí)，這一方法通常只能表征位錯(cuò)的幾何特征，難以實(shí)現(xiàn)對位錯(cuò)晶體學(xué)參量的精確分析。綜上，基于體視學(xué)原理的位錯(cuò)三維表征技術(shù)目前在定量精度、普適性和操作便捷性等方面仍然差強(qiáng)人意，未來仍有較大的技術(shù)提升空間。

圖6 基于體視學(xué)原理獲得的位錯(cuò)立體影像(需要紅藍(lán)眼鏡才能看到三維效果)(a，c)及三維重構(gòu)像(b，d)：(a，b)InAlN/GaN薄膜GaN層中的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)[22]；(c，d)鎳基高溫合金中的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)[24]Fig.6 Anaglyphs illustrating the 3D configurations (red-cyan filtered glasses are necessary for observation) (a, c) and corresponding 3D reconstructions (b, d) of dislocation structues based on stereo pair method: (a, b) dislocation structures in the GaN layer of InAlN/GaN thin film[22]; (c, d) dislocation structures in the Ni-based superalloy[24]

4.3 基于系列傾轉(zhuǎn)的位錯(cuò)三維表征技術(shù)

將傳統(tǒng)TEM系列傾轉(zhuǎn)三維重構(gòu)技術(shù)與弱束暗場(weak beam dark field, WBDF)成像技術(shù)相結(jié)合，Barnard等[27, 28]于2006年開發(fā)了弱束暗場位錯(cuò)三維表征技術(shù)，首次在GaN薄膜中實(shí)現(xiàn)了位錯(cuò)的三維重構(gòu)，重構(gòu)圖像中可清晰分辨出疇界位錯(cuò)、裂紋尖端的位錯(cuò)束、面內(nèi)位錯(cuò)及其內(nèi)部彎曲、割階等位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)特征，位錯(cuò)結(jié)構(gòu)表征的分辨率可達(dá)3 nm，可分辨出的最小位錯(cuò)間距為10 nm(圖7a)。為了進(jìn)一步提高衍襯條件調(diào)控的便捷性和精確性，Hata等[29]開發(fā)了高角度三傾轉(zhuǎn)軸樣品桿，并借此成功實(shí)現(xiàn)了對316奧氏體不銹鋼中位錯(cuò)(圖7b)[29]、單晶硅變形位錯(cuò)(圖7c)[32]和裂紋尖端附近的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)(圖7d)[33]的三維觀察。利用位錯(cuò)的可見性判據(jù)(g·b=0，g代表衍射矢量，b代表位錯(cuò)柏氏矢量)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)柏氏矢量的確定。利用這種方法能夠確定不同類型位錯(cuò)的空間關(guān)系及柏氏矢量等信息，但無法得到位錯(cuò)的精確空間跡線，且位錯(cuò)形貌和晶體學(xué)信息彼此分離，難以實(shí)現(xiàn)耦合分析。Kacher等[30]采用相似的方法重構(gòu)了304不銹鋼晶界處的位錯(cuò)列，根據(jù)初始晶體取向和傾轉(zhuǎn)角度等推測了位錯(cuò)列的滑移面和滑移方向，在重構(gòu)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立了位錯(cuò)構(gòu)型的空間模型(圖7e)。Liu等[31]對Al-Mg-Sc合金中位錯(cuò)與Al3Sc顆粒發(fā)生交互作用后形成的位錯(cuò)組態(tài)進(jìn)行了三維重構(gòu)，并據(jù)此建立了位錯(cuò)與顆粒交互作用的三維結(jié)構(gòu)模型(圖7f)。目前，基于系列傾轉(zhuǎn)和WBDF成像的位錯(cuò)三維表征技術(shù)理論上可表征的最大位錯(cuò)密度為1016m-2，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于功能薄膜[27, 28]、礦物質(zhì)(硅[32, 33]、橄欖石[34, 35])以及金屬材料[36, 37]等多種材料體系中位錯(cuò)形貌的三維觀察(圖7g～7i)，在完整揭示位錯(cuò)三維結(jié)構(gòu)特征方面發(fā)揮了重要作用，為位錯(cuò)相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題的解決提供了新的技術(shù)支撐。然而，這一方法需要依據(jù)重構(gòu)圖像中位錯(cuò)的灰度分布特征重新建立位錯(cuò)的空間模型，所得位錯(cuò)空間跡線的精確程度受衍襯成像條件、樣品厚度、重構(gòu)圖像質(zhì)量以及灰度識別與擬合過程影響，因此，目前與跡線相關(guān)的各類參數(shù)定量表征精度仍待提高。

圖7 基于透射電子顯微鏡的位錯(cuò)三維表征技術(shù)的應(yīng)用：(a)GaN薄膜中位錯(cuò)的三維重構(gòu)像[27]；(b)316奧氏體不銹鋼中位錯(cuò)的三維重構(gòu)像[29]；(c)單晶硅沖壓變形后位錯(cuò)的三維重構(gòu)像[32]；(d)單晶硅裂紋尖端位錯(cuò)的三維重構(gòu)像[33]；(e)304不銹鋼晶界處位錯(cuò)的三維重構(gòu)像[30]；(f)Al-Mg-Sc合金中位錯(cuò)和Al3Sc顆粒的三維重構(gòu)像[31]；(g)橄欖石中位錯(cuò)的三維重構(gòu)像[34]；(h)Ti-0.3% O(質(zhì)量分?jǐn)?shù))中位錯(cuò)的三維重構(gòu)像[36]；(i)單晶純Mg變形后位錯(cuò)的三維重構(gòu)像[37]，圖7i中不同顏色表示不同柏氏矢量的位錯(cuò)Fig.7 Applications of the TEM-based dislocation tomgraphy to reconstruct dislocation structures in GaN thin film (a)[27], 316 austenitic stainless steel (b)[29], single crystal silicon after punching deformation (c)[32], the vicinity of crack tip in single crystal silicon (d)[33], the 304 stainless steel (e)[30], the Al-Mg-Sc alloy and Al3Sc particle (f)[31], single crystal olivine (g)[34], Ti-0.3wt% O (h)[36] and pure single crystal Mg after deformation (i)[37], note that the dislocations color-coded according to their Burgers vector in Fig.7i

4.4 基于TEM的位錯(cuò)三維定量集成表征技術(shù)

如上文所述，現(xiàn)有的基于TEM的位錯(cuò)三維表征技術(shù)為位錯(cuò)研究提供了新的技術(shù)途徑，但其參量表征能力參差不齊，綜合效能十分有限。在幾何參量表征方面，位錯(cuò)跡線定量精度較低，空間參量測量誤差較大；在晶體學(xué)參量表征方面，線方向等晶體學(xué)參量定量精度很低，總體表征能力非常薄弱。特別地，上述方法所獲得的位錯(cuò)幾何與晶體學(xué)參量信息相對零散，無法實(shí)現(xiàn)深度耦合分析，極大地妨礙了人們對位錯(cuò)特征的全面認(rèn)識和對位錯(cuò)行為的深度理解。為了解決這一技術(shù)難題，作者結(jié)合傳統(tǒng)的位錯(cuò)三維重構(gòu)技術(shù)與關(guān)聯(lián)晶體學(xué)分析方法，開發(fā)了一種基于TEM的位錯(cuò)三維定量集成表征技術(shù)[39]，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)三維位錯(cuò)結(jié)構(gòu)幾何和晶體學(xué)特征參量的高精度同步耦合表征。其主要步驟包括：① 基于WBDF成像獲取位錯(cuò)系列傾轉(zhuǎn)圖像并實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)，根據(jù)重構(gòu)空間特征構(gòu)建樣品坐標(biāo)系；② 沿樣品坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向?qū)χ貥?gòu)空間進(jìn)行像素級系列切片處理，通過識別位錯(cuò)截面和幾何中心高精度確定位錯(cuò)空間跡線；③ 利用衍襯圖像中位錯(cuò)的可見性判據(jù)確定位錯(cuò)的柏氏矢量；④ 基于關(guān)聯(lián)晶體學(xué)分析獲得實(shí)驗(yàn)樣品坐標(biāo)系到標(biāo)準(zhǔn)晶體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在樣品或晶體坐標(biāo)系下定量集成表征位錯(cuò)相關(guān)的各種參量。利用這一方法可以系統(tǒng)、定量地揭示單根位錯(cuò)和復(fù)雜組態(tài)位錯(cuò)的三維幾何和晶體學(xué)特征，位錯(cuò)三維跡線測量精度可以達(dá)到像素級，各類參量之間耦合性強(qiáng)，定量精度高，因此該方法適用于位錯(cuò)全要素參量的三維、定量、集成和高通量表征[39]?；陬愃频募夹g(shù)思路，這一方法還可被進(jìn)一步拓展至納米顆粒和晶粒的三維定量研究中。

圖8 淬火態(tài)Al-Cu-Mg合金中的位錯(cuò)三維重構(gòu)像[39]：(a)一組位錯(cuò)界面的弱束暗場像，插圖標(biāo)明其成像條件；(b)位錯(cuò)界面的三維重構(gòu)像，不同顏色表示不同柏氏矢量的位錯(cuò)；(c)2根典型位錯(cuò)D1和D2的三維重構(gòu)像；(d)從另一視角觀察到的位錯(cuò)D1和D2的三維重構(gòu)像；(e)位錯(cuò)D1和D2的三維組分分布圖Fig.8 3D reconstruction of dislocations in a quenched Al-Cu-Mg alloy[39]: (a) weak beam dark field image of a dislocation boundary, the inset indicated the corresponding imaging condition; (b) 3D reconstruction image of the dislocation boundary, the dislocations color-coded according to their Burgers vectors; (c) 3D reconstruction image of two typical dislocations D1 and D2; (d) 3D reconstruction of the dislocations D1 and D2 observed from another direction; (e) 3D character mapping of the dislocations D1 and D2

5 結(jié) 語

本文綜述了基于同步輻射X射線和聚焦離子束-電子通道襯度成像系統(tǒng)的位錯(cuò)三維重構(gòu)方法，以及基于透射電子顯微鏡的原子分辨率位錯(cuò)三維重構(gòu)、體視學(xué)原理位錯(cuò)三維重構(gòu)和系列傾轉(zhuǎn)位錯(cuò)三維重構(gòu)方法的技術(shù)原理和應(yīng)用實(shí)例，對比討論了上述重構(gòu)技術(shù)在分辨率、定量表征和參量信息耦合能力方面的優(yōu)劣特性，并介紹了一種基于透射電子顯微鏡的位錯(cuò)三維定量集成表征技術(shù)，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)幾何和晶體學(xué)特征參量的高精度同步耦合表征，為未來位錯(cuò)相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究提供了新的技術(shù)支撐。

從應(yīng)用實(shí)踐來看，上述位錯(cuò)三維表征技術(shù)目前仍然面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。對于基于同步輻射X射線的位錯(cuò)三維重構(gòu)方法，在保持高時(shí)間分辨率和無損等技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升高密度位錯(cuò)樣品中位錯(cuò)的分辨能力，拓展技術(shù)在更大尺度樣品中的應(yīng)用范圍，應(yīng)是其未來改進(jìn)的重要方向。對于基于聚焦離子束-電子通道襯度成像系統(tǒng)的位錯(cuò)三維重構(gòu)方法，進(jìn)一步提高聚焦離子束系列切片的精度和效率，改進(jìn)切片方向的分辨率，優(yōu)化電子通道襯度圖像采集流程和成像質(zhì)量應(yīng)是當(dāng)務(wù)之急。對于基于透射電子顯微鏡的原子分辨率位錯(cuò)三維重構(gòu)方法，未來需要進(jìn)一步改進(jìn)樣品制備方法，優(yōu)化圖像襯度、采集效率和重構(gòu)算法，增強(qiáng)原子尺度動(dòng)態(tài)觀察能力，積極拓展技術(shù)的應(yīng)用廣度和深度。對于基于體視學(xué)原理的位錯(cuò)三維重構(gòu)方法，應(yīng)重點(diǎn)改善位錯(cuò)的定量表征精度，利用圖像采集時(shí)間短這一顯著優(yōu)勢積極發(fā)展高時(shí)間分辨率位錯(cuò)三維表征技術(shù)，實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)動(dòng)態(tài)行為的四維表征。對于基于系列傾轉(zhuǎn)的位錯(cuò)三維重構(gòu)方法，應(yīng)與最新開發(fā)的位錯(cuò)三維定量集成表征技術(shù)深度融合，顯著提升位錯(cuò)的綜合表征能力，在實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)全要素參量深度耦合表征的基礎(chǔ)上，解決材料科學(xué)領(lǐng)域位錯(cuò)相關(guān)重大和基礎(chǔ)科學(xué)問題。

此外，從位錯(cuò)表征技術(shù)的總體發(fā)展趨勢來看，定量化、集成化、自動(dòng)化和智能化將成為未來位錯(cuò)三維表征技術(shù)的重要發(fā)展方向和技術(shù)特征。特別地，為了進(jìn)一步發(fā)展基于透射電子顯微鏡的先進(jìn)位錯(cuò)三維表征技術(shù)，仍需著力提升以下方面的技術(shù)能力：

(1)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)與分辨能力。對于通過形變、淬火和輻照等工藝處理獲得的高密度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，由于應(yīng)變場疊加致使位錯(cuò)成像困難，通常難以實(shí)現(xiàn)高精度位錯(cuò)重構(gòu)和高通量位錯(cuò)表征；在重構(gòu)像中的一些位錯(cuò)相鄰和交叉區(qū)域，非線性應(yīng)變場襯度與圖像合軸不佳和損失楔效應(yīng)相互交織，顯著影響對位錯(cuò)跡線的準(zhǔn)確確定。因此，需要進(jìn)一步改進(jìn)或發(fā)展新的位錯(cuò)成像方法和重構(gòu)算法，以滿足高密度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的高精度和高通量表征需求。

(2)位錯(cuò)圖像的智能處理能力。在現(xiàn)有的位錯(cuò)三維重構(gòu)方法中，衍襯像中的位錯(cuò)柏氏矢量需要依賴人工判定位錯(cuò)的可見性來確定,原始和重構(gòu)圖像中位錯(cuò)的識別與分割大都需要手動(dòng)或半自動(dòng)處理，技術(shù)效率十分有限。為發(fā)展下一代具有更高效率和精度的位錯(cuò)三維表征技術(shù)，可以探索將人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法引入圖像處理與重構(gòu)、柏氏矢量分析以及位錯(cuò)識別、分割、修復(fù)與定量分析等環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)自動(dòng)化和智能化三維表征。

(3)位錯(cuò)參量的耦合表征能力?，F(xiàn)有不同尺度和原理的位錯(cuò)三維表征技術(shù)參量表征能力和定量表征能力參差不齊，嚴(yán)重影響對位錯(cuò)整體特征和行為的判斷。針對位錯(cuò)特征參量的多樣性、關(guān)聯(lián)性和復(fù)雜性，未來需要面向各類方法發(fā)展先進(jìn)位錯(cuò)三維集成表征技術(shù)，結(jié)合多尺度模擬與計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)幾何、晶體學(xué)和能量全要素參量的跨尺度耦合表征。

(4)位錯(cuò)行為的動(dòng)態(tài)表征能力。位錯(cuò)對材料的影響既來源于位錯(cuò)個(gè)體與組態(tài)的自身特征，也來源于外場作用下位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)演化過程，比如在力、熱、電、磁、輻照和氣氛等外場環(huán)境中位錯(cuò)的遷移、交割、反應(yīng)和湮沒，以及隨之衍生而來的元素偏聚、非均勻析出、加工硬化和回復(fù)再結(jié)晶等行為。目前位錯(cuò)三維表征的對象主要為穩(wěn)態(tài)的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，雖然已有研究開始結(jié)合原位實(shí)驗(yàn)方法探索開發(fā)位錯(cuò)四維表征技術(shù)[40-42]，但由于數(shù)據(jù)采集方法和效率的局限，時(shí)間分辨率僅能達(dá)到數(shù)分鐘，難以滿足高時(shí)間分辨率位錯(cuò)三維動(dòng)態(tài)表征需要。通過引入超快透射電子顯微鏡技術(shù)[43, 44]，改進(jìn)位錯(cuò)圖像采集方法和重構(gòu)算法，以及使用新一代超快相機(jī)技術(shù)，未來要發(fā)展單一外場和多場耦合條件下位錯(cuò)動(dòng)態(tài)行為的三維表征技術(shù)。結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)和離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)等模擬方法，深刻揭示外場作用下位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)演化過程與規(guī)律。