晶界的形態(tài)對(duì)多晶金屬的電阻率等性質(zhì)有著重要影響，但目前仍缺乏簡(jiǎn)單有效的表征手段。MIT的科學(xué)家們開發(fā)出了新的測(cè)試方法，結(jié)合光鏡和電鏡，能夠看穿多晶金屬的一切。

    圖注：左側(cè)粉色圖為光學(xué)顯微鏡結(jié)果，右側(cè)為電子背散射結(jié)果。

    多晶金屬材料不是單一的大晶體，而是由多個(gè)小晶體隨機(jī)排列而成的，在諸如核反應(yīng)堆、民用基礎(chǔ)設(shè)施、飛機(jī)等方面應(yīng)用廣泛。然而研究它們的晶體結(jié)構(gòu)和晶界等細(xì)節(jié)一直十分困難。

    近日，就職于麻省理工學(xué)院（MIT）等地的研究人員開發(fā)出一套新方法，可以提供多晶金屬微觀結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。這一新的研究成果由MIT的Matteo Seit博士、Michael Demkowicz教授、Christopher Schuh教授以及其他五位研究人員共同完成并發(fā)表。

    Seita和其團(tuán)隊(duì)致力于解決材料學(xué)中最常見的問題之一：“我們?nèi)绾我愿咄糠绞搅炕环N材料的特征。我們開發(fā)的新方法是不同的技術(shù)的獨(dú)特組合。”

    有些方法能夠提供關(guān)于結(jié)構(gòu)的大量細(xì)節(jié)，但它們非常耗時(shí)，且不能捕捉到材料中的快速變化。另一些方法很快速，但提供的細(xì)節(jié)很少。還有一些方法能夠提供空間和時(shí)間上的細(xì)節(jié)，但卻很昂貴或者只能在特定的地方可用。Seita說，新方法將多種技術(shù)重新組合，可以提供快速、高分辨率和低成本的成像結(jié)果，從而打破這些限制。

    在由許多小的晶粒組成的多晶金屬的相關(guān)研究中，關(guān)鍵是知道位置、尺寸、接觸角度，以及不同晶粒構(gòu)成材料時(shí)的其它特征。特別是晶粒之間的界面，即晶界。Seita說：“對(duì)于材料的許多特征屬性，如強(qiáng)度、耐輻射度、硬度、電阻等，晶界都是至關(guān)重要的。但這些屬性難以用實(shí)驗(yàn)表征，因?yàn)樗鼈兎浅?fù)雜。”

    研究人員需要對(duì)晶界的五個(gè)基本特征量化，但多數(shù)研究工具只能得到兩到三個(gè)參數(shù)的部分信息。高能同步輻射可以一次得到全部的五個(gè)特征，但這種設(shè)備較少價(jià)格昂貴且有被過度定購(gòu)的趨勢(shì)。

    “我們的解決方案是設(shè)法創(chuàng)建一個(gè)任何人都可以使用的，在他們自己的實(shí)驗(yàn)室中利用軟件和硬件便可輕松獲得的簡(jiǎn)單方法。”Seita說到。他們利用現(xiàn)有的光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡兩種方法進(jìn)行組合，成功實(shí)現(xiàn)這一目的。

    “我們采用兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)集，并用數(shù)值圖像分析將它們結(jié)合。”Seita解釋說。他們使用了多晶的金屬箔片，薄到可以從兩側(cè)看到單個(gè)晶粒。然后他們?cè)谄渲幸粋?cè)拍攝光學(xué)顯微鏡圖像，再快速翻過來拍另一側(cè)，之后用軟件將兩側(cè)的晶界對(duì)應(yīng)起來。這樣便可重建這些晶界的三維取向。

    然后，這些信息被與描述晶粒內(nèi)原子的真實(shí)排列的電子顯微鏡圖像相結(jié)合，即可呈現(xiàn)各個(gè)晶胞的取向，以及它們與相鄰晶粒的關(guān)聯(lián)。組合后的信息提供了金屬箔晶界的全部的五個(gè)特征量。

    Seita稱：“這樣做的妙處是，它是一種高通量技術(shù)。在一個(gè)樣品中，可以測(cè)量的晶界多達(dá)500個(gè)左右，并且可以迅速地建立數(shù)據(jù)集。”現(xiàn)有的檢測(cè)方法在檢測(cè)過程中會(huì)消耗樣品，而這種新方法屬于無損檢測(cè)，這意味著樣品可以繼續(xù)接受其它測(cè)試，比如力學(xué)或電學(xué)特性檢測(cè)，其結(jié)果可與晶界的數(shù)據(jù)相比較。

    Seita說：“這種新的方法非常普適，所以外面的很多研究組都可以使用。更重要的是，盡管最初的測(cè)試樣品是多晶金屬，但該方法不局限于特定材料，也可以應(yīng)用到絕緣體或半導(dǎo)體上。我們可以測(cè)試不同種類的屬性，并建立大型數(shù)據(jù)集，并最終利用這些數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)新型多晶材料的特性。”

    “對(duì)于設(shè)計(jì)有特殊用途的材料，我們可以計(jì)算出所需要的晶界，并計(jì)算出如何構(gòu)造具有這樣晶界的材料。”Seita如是說到。通過改造材料操控這些晶界的特性，以增加它們的豐度或相對(duì)指向，可使材料屬性產(chǎn)生顯著變化。例如，該方法可以用來找出如何減少暴露于惡劣環(huán)境中的金屬的腐蝕速率，如石油或天然氣鉆井設(shè)備等。

    新墨西哥州桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的資深成員Brad Boyce這樣評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作：“在晶體結(jié)構(gòu)的大數(shù)據(jù)量快速表征方面，是激動(dòng)人心的一步。晶界能廣泛影響材料性質(zhì)，從材料的形變到電阻率……但材料科學(xué)家發(fā)掘晶界特征的技術(shù)手段有限。現(xiàn)在有了這種新技術(shù)，我熱切地期望看到這項(xiàng)成果在提供快速、高通量表征方面進(jìn)一步的發(fā)展，特別是在光鏡分辨率限制下用于破譯局域晶界特征方面。”