一种先进的X射线方法，揭示透射电镜不可见的缺陷！

原子缺陷在控制晶体材料的力学和物理性能方面发挥着基础性作用，成为阻碍材料先进应用的关键，例如能源发电(核能或光伏发电)、能源存储、航空航天、微观力学和半导体小型化等。天然或诱发的缺陷使晶格的畸变局部化，从而降低了整体应变能。相反，缺陷的行为强烈依赖于微观结构环境，这为调整材料性能提供了巨大的潜力。

了解和开发晶体材料的缺陷，需要从原子尺度到宏观尺度对材料结构进行探测。在接近原子分辨率的情况下，透射电子显微镜(TEM)是一种基本的方法，它可以直接显示二维甚至三维的晶格缺陷。虽然TEM对相关的晶格应变也很敏感，但他们的研究仅限于2D，只可能用于一小部分样品(例如，边缘字符的直位错)。这对于理解复杂的缺陷-缺陷相互作用是不够的，因为缺陷通过其三维应变场和由此产生的应力相互作用。在本来很薄的TEM样品中，缺陷也可能丢失到附近的表面，这些表面作为强大的缺陷下沉，从而降低了表面缺陷密度。

另一个挑战是小缺陷的可见性：在包含数千个原子以上的结构中，TEM对小于~1.5 nm的缺陷不敏感。然而，含有大量小缺陷且尺寸分布广泛的晶体构成了大量材料，例如：那些由强辐照产生的材料(用于未来聚变和裂变技术的材料、加速器目标或用于生物相容性的改性表面)。辐射产生的缺陷范围从单个原子缺陷到数十纳米大小的簇，其中缺陷的数量密度通常与缺陷大小通过负指数幂律联系起来，即绝大多数缺陷低于可见极限。这些看不见的缺陷虽然很小，但可以显著地改变力学性能或热输运行为，并可能导致辐照引起的尺寸变化。

自2001年首次演示以来，X射线布拉格相干衍射成像已被证明是在各种样品环境中研究材料晶体性能的一种强大方法。X射线布拉格叠层成像技术(BP)是一种新近发展起来的方法，它结合了对晶格平面原子位移的敏感性和叠层成像技术的出色成像性能。

在此，研究者使用了一种先进的BP方法来研究注入氦离子的钨铼合金样品中的TEM不可见的缺陷。为了实现这些测量，研究者同时开发了一种探针细化策略，从而有可能提高检索图像的灵敏度，并绘制比以前更大的视场。利用这种增强型布拉格叠层成像技术工具，研究者分析了氦离子辐照对钨的损伤，揭示了3D样品中的一系列晶体细节。研究结果得出结论：少数原子大的“看不见的”缺陷，在取向上可能是各向同性和均匀分布的。在靠近晶界处，观察到部分缺陷剥落区。
 

综上所述，研究者由于改进了BP方法，获得了氦注入钨晶体中纳米尺度晶格应变和旋转的三维定量图。该反演方案提供了一个改进的样本图像质量，不仅因为探针和样本现在可以精确地解缠，而且因为从探针中心瓣远的区域产生的信号现在被考虑在内。这些高质量和大范围的地图，揭示了许多且难以接近的晶体特征。除了可以从分析中明确抛弃的FIB损伤层之外，研究者还观察到由“看不见的”氦注入缺陷引起的应变和晶格旋转，这些缺陷被确定为随机取向。令人惊讶的是，研究者只在晶界附近发现了一个部分缺陷剥落区。这些结果为预测离子辐照对金属的影响提供了新的见解。此外，它们为下一代复杂晶体材料的高度详细研究铺平了道路，例如，极端环境下的难熔高熵合金。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-021-27224-5