搭借国际先进平台  自主开发关键技术

张   泽

浙江大学电子显微镜中心

原子分辨水平的电子显微镜是高端大型精密分析测试科学仪器，目前只有国际少数几家厂商可以生产。如何借船出海，在这些国际平台上开发独具特色的附属装置，用于重要科学研究之需求，是我们进行科学仪器自主开发的有效途径之一。本文简要介绍我们最近几年在这一方面的尝试。

材料是人类社会进步与生产力发展水平的一种度量和标志。材料所显示的不同寻常的性质与功能，归根结底是由其本身原子排列规律、缺陷、界面及表面结构等微观结构所决定。其基本的科学问题是其显微结构是如何演化和形成的、如何受不同因素的控制、如何影响甚至决定着材料的性能的，其基本的技术性问题是研究和探索在什么条件下可以获得期望的材料显微结构，从而实现所需求的优异性能。

如何获得各种先进材料在工艺处理条件、外场作用、极端条件、服役状态下的材料精细结构演变及其性能与之间的关系，成为现代材料科学发展的关键和瓶颈性问题。发展和利用高空间分辨、高能量分辨、原位和外场作用下基本物理性能与显微结构一体化分析测试表征技术，在多尺度特别是原子层次来表征精细结构、元素的分布及材料的特性，有望为解决瓶颈问题带来突破。

要研究和解决先进材料性能与结构间关系研究方面的重大科学需求、解决从原子尺度理解结构演化，迫切需要解决三方面重要的现代表征方法及科学问题：一是，如何进一步提高显微镜的点阵分辨率、空间分辨率和能量分辨率，提供能在原子层次对重要物理问题所依赖的晶体结构、界面结构进行精确的表征和研究？二是，如何突破微纳尺度精确操作的瓶颈性制约，解决对单体低维材料物性与结构演变关系进行原位和外场作用下的综合表征测量？三是，在如上现代表征测试方法和技术发展的基础上，研究和解决现代材料科学中受到此类技术制约的重要材料科学问题，如高性能轻质合金体系中强化相的演化和调控，获取能够指导优化性能材料设计的微结构知识基础，包括介观乃至原子尺度上强化相沉淀初期的相结构、成分、形貌、晶体学取向、分布、及其演化过程的定量表征，揭示材料成分及工艺处理对以上微结构及其演化影响的本质。

为此，我们近几年自主设计开发适用于高分辨透射电子显镜的“嵌入式”可操控“低维材料智能载网”。使其在外场（电子束辐照、电流、电场及温度场）作用下可实现位移驱动，从而实现准一维线的形变操作。揭示不同键合类型的一维材料在多场耦合作用下的显微结构、物理性能与材料尺度之间关系；发展了针对通用透射电镜样品的室温“双倾拉伸”技术, 即：发展了基于透射电子显微镜的“原子点阵分辨率下材料形变动力学的显微学技术”；发展了原位透射电子显微学纳米薄膜拉伸技术；设计并部分加工了透射电镜中微牛顿量级的基于微机电（MEMS）原理的力学传感器；自主设计开发能在扫描电子显微镜样品室内进行单体准一维材料操纵和力学/电学性能耦合测量单元；完成单体准一维材料形变过程中力学信号、电学信号、位移信号等微弱信号的探测、采集与处理及显微结构的原位观察。发展了扫描电镜样品EBSD室温拉伸台。

基于以上发展的创新性方法和设备等展开相关凝聚态物理及材料科学问题研究，即：利用“原子点阵分辨率下材料形变动力学的显微学技术”开展了原子点阵分辨率下的铜、铂、镍等面心立方金属薄膜的力学行为的原位研究工作，发现材料多晶体系弹塑性转变时发射位错类型的尺寸效应；发现晶粒尺寸小于10纳米时塑性行为的根本转变的原子机制；发现了了铜单晶弹-塑性的尺寸效应;发现了铜纳米线断裂时的类液体橡皮行为等。以上研究成果已在有重要国际影响的学术期刊上发表，相关技术已在国家重大基础研究项目中应用。