清華新聞網(wǎng)1月23日電 近日，清華大學(xué)材料學(xué)院于榮教授課題組與李千副教授課題組在晶體取向成像方法和位錯(cuò)三維結(jié)構(gòu)研究中取得進(jìn)展。該研究基于課題組近期發(fā)展的自適應(yīng)傳播因子疊層成像方法，在自支撐鈦酸鍶薄膜中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了深亞埃分辨的原子結(jié)構(gòu)成像和亞納米分辨的晶體取向成像，并揭示了鈦酸鍶中位錯(cuò)芯在電子束方向的結(jié)構(gòu)變化。
晶格缺陷是材料中的重要組成部分。相對(duì)于完美基體，缺陷處的對(duì)稱(chēng)性、原子構(gòu)型、電子結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化，在調(diào)節(jié)材料整體的力學(xué)、電學(xué)、發(fā)光和磁性行為方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，缺陷處的對(duì)稱(chēng)破缺和原子的復(fù)雜構(gòu)型也給缺陷結(jié)構(gòu)的精確測(cè)量帶來(lái)障礙。比如，位錯(cuò)附近不可避免存在局域應(yīng)變和晶體取向變化，但是用高分辨電子顯微學(xué)表征晶體中的原子構(gòu)型又要求晶帶軸平行于電子束，否則分辨率會(huì)顯著降低。這個(gè)矛盾一直是位錯(cuò)原子結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)分析中難以克服的困難。
研究組通過(guò)自適應(yīng)傳播因子多片層疊層成像技術(shù)研究了鈦酸鍶中位錯(cuò)芯的原子結(jié)構(gòu)。如圖1所示，研究成功地將晶體傾轉(zhuǎn)從原子結(jié)構(gòu)成像中分離出來(lái)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了達(dá)到深亞埃分辨率的原子結(jié)構(gòu)成像和亞納米分辨率的晶體取向成像。
圖1. SrTiO3中位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)像和取向分布。a、疊層成像的重構(gòu)相位。b、圖a中相位圖的衍射圖，黃色虛線(xiàn)表示0.3?的信息極限。c、疊加相位圖的晶體傾轉(zhuǎn)分布，白色箭頭表示[001]方向在平面內(nèi)的投影，黃色箭頭表示位錯(cuò)核的橫向移動(dòng)。d、晶體在[100]和[010]方向的傾轉(zhuǎn)的分布。標(biāo)尺長(zhǎng)1nm
在圖1中，位錯(cuò)芯看起來(lái)范圍很小，只有一兩個(gè)單胞。這種襯度在位錯(cuò)的高分辨成像中很普遍，人們通常認(rèn)為這樣的位錯(cuò)是沿著電子束方向的直線(xiàn)。然而，應(yīng)用多片層疊層成像的深度分辨能力，可以看出該位錯(cuò)并不是一根直線(xiàn)，而是隨著樣品深度發(fā)生橫向位移，形成位錯(cuò)扭折，如圖2所示。
圖2. 刃位錯(cuò)的三維可視化。a、刃位錯(cuò)的相位圖；標(biāo)尺長(zhǎng)5?。b、圖a中用A-B標(biāo)記的分裂原子柱相位強(qiáng)度的深度變化。c、Sr、TiO和O原子柱的相位強(qiáng)度的深度分布。d、深度分別為2.4nm、6.4nm和12.0nm的相位圖；標(biāo)尺長(zhǎng)5?。e、圖d中標(biāo)記的原子柱的相位隨樣品深度的變化。f、位錯(cuò)扭折示意圖
該研究還比較了疊層成像和iCOM技術(shù)（其簡(jiǎn)化版即常見(jiàn)的iDPC技術(shù)），結(jié)果顯示疊層成像在橫向和深度方向的分辨率都顯著優(yōu)于iCOM和iDPC，如圖3所示。
圖3.多片層疊層成像和系列欠焦iCOM的深度切片。a、多片層疊層成像和iCOM的深度切片；從上到下，切片深度分別為1nm、4nm和11nm；標(biāo)尺長(zhǎng)5?。b、沿著位錯(cuò)扭折的勢(shì)函數(shù)和相位圖的橫截面；從左到右分別是用于生成模擬數(shù)據(jù)集的勢(shì)函數(shù)、多片層疊層重構(gòu)的相位和系列欠焦iCOM相位；可以看出，iCOM的模糊效應(yīng)顯著大于疊層成像。c、圖b中所示的原子柱的相位隨樣品深度的變化。黑色垂直虛線(xiàn)表示沿原子柱的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的真實(shí)位置（與圖b中白色虛線(xiàn)所示位置相同）；可以看出，iCOM在深度方向的模糊效應(yīng)也大于疊層成像
研究總結(jié)了多個(gè)位錯(cuò)芯的深度依賴(lài)結(jié)構(gòu)與晶體取向分布，揭示了位錯(cuò)移動(dòng)與薄膜形變方式的相互關(guān)系。如圖4所示，當(dāng)薄膜繞位錯(cuò)的滑移面法線(xiàn)方向扭轉(zhuǎn)時(shí)，位錯(cuò)滑移；當(dāng)薄膜繞位錯(cuò)的滑移面法線(xiàn)方向彎曲時(shí)，位錯(cuò)攀移。
圖4. SrTiO3中多個(gè)位錯(cuò)的晶體傾轉(zhuǎn)分布。a、包含三個(gè)位錯(cuò)的區(qū)域的相位圖。b、對(duì)應(yīng)圖a中區(qū)域的晶體傾轉(zhuǎn)分布，其上疊加了相位圖；黃色箭頭表示位錯(cuò)的橫向移動(dòng)方向。圖a和b中的標(biāo)尺為15?。c、晶體傾轉(zhuǎn)與位錯(cuò)橫向位移的相互關(guān)系；晶格矢量c由于傾斜矢量t變?yōu)閏’，即c’=c+t；黑色方塊用于說(shuō)明應(yīng)變狀態(tài)；左邊為扭轉(zhuǎn)，右邊為彎曲；在兩種形變模式中，薄膜上部和下部的應(yīng)變都是反向的，對(duì)應(yīng)位錯(cuò)向相反方向的橫向移動(dòng)。圖b中左上角的位錯(cuò)和圖2中的位錯(cuò)對(duì)應(yīng)于扭轉(zhuǎn)模式；圖b的中心和右上方的位錯(cuò)對(duì)應(yīng)于兩種模式的混合
研究結(jié)果以“晶體取向的亞納米尺度分布和鈦酸鍶位錯(cuò)芯的深度依賴(lài)結(jié)構(gòu)”（Sub-nanometer-scale mapping of crystal orientation and depth-dependent structure of dislocation cores in SrTiO3）為題于1月11日發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。
清華大學(xué)材料學(xué)院2018級(jí)博士生沙浩治、2022級(jí)博士生馬云鵬、物質(zhì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心工程師曹?chē)?guó)平博士、2019級(jí)博士生崔吉哲為共同第一作者，于榮教授與李千副教授為共同通訊作者。物質(zhì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心程志英高級(jí)工程師在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集中提供了重要幫助。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-35877-7
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
