核心要點：
1. EBSD能夠表征亞微米尺度的微觀組織，但限于其空間分辨率很難表征納米晶組織；PED具有納米尺度的分辨率，但由于在樣品厚度方向上多個晶粒的衍射斑發生重疊，難以準確表征納米晶的三維組織。
2.結合樣品傾轉與暗場圓錐掃描的透射電鏡三維取向重構技術具有1 nm的空間分辨率，解決了電子束方向上重疊晶粒的取向測定難題，成功應用于納米金顆粒的三維組織表征。
納米結構金屬（簡稱納米金屬）擁有優異的機械、物理和化學性能，具有廣泛的潛在應用前景。近二十年來，納米金屬得到了大量的研究，并已在微電子、納米技術以及催化等領域得到應用。微電子器件中的結構以及催化結構的組裝很大程度上取決于納米金屬中納米晶體的形貌、大小和晶體學取向。對納米金屬各種行為機理的深入理解以及性能的進一步優化，需要對其進行高空間分辨率的“全要素、高通量”的表征。而電子顯微鏡具有較高的空間分辨率，能夠滿足該需求。在過去的幾十年內，研究人員發展了多種基于電子顯微技術的微區晶體學取向測定技術。在這些技術中，最為典型的代表分別為利用菊池花樣以及衍射斑點的取向測定技術。前者在掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡中都有廣泛應用；而后者主要應用于透射電子顯微鏡。基于這些技術解析的晶體學取向信息，以像素點或者體素點形式，按網格規則地顯示為圖像信息，以此重構出材料的微觀組織結構。這種基于晶體學取向信息的微觀組織結構重構技術，一般稱為取向成像技術。最為常見的取向成像技術包括但不限于掃描電子顯微鏡中的電子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）技術、透射電子顯微鏡中的旋進電子衍射（Precession Electron Diffraction, PED）技術和透射電子顯微鏡中的三維取向成像技術（Three-dimensional Orientation Mapping in Transmission Electron Microscope, 3D-OMiTEM）。這些取向成像技術的角分辨率通常為1~2°，這樣的角分辨率可以滿足表征納米金屬的需求。但是，這些技術的空間分辨率差異較大，因此選擇合適的技術來重構不同尺度的納米金屬也就顯得十分重要。近日，重慶大學黃曉旭教授團隊、清華大學A.W. Godfrey教授以及丹麥技術大學S. Schmidt博士等人合作，以題為“2D and 3D orientation mapping in nanostructured metals: a review” 在Nano Materials Science撰文，闡述了納米金屬晶體學取向成像技術所面臨問題，綜述了納米金屬基于電子光源的二維及三維晶體取向成像技術的研究進展。作者著重于不同取向成像技術的空間分辨率，回顧了二維和三維取向成像技術在表征納米金屬微觀組織結構上的應用。實例分析包括：1）基于掃描電子顯微鏡的二維EBSD技術以及基于透射電子顯微鏡的二維PED技術表征了結構尺寸變化范圍很大的梯度納米結構金屬銅和鎳基高溫合金；2）3D-OMiTEM技術表征了尺寸在40nm以下的島狀納米金薄膜；3）討論了以上各技術的優勢、面臨的挑戰以及未來的發展方向。
圖1. 高壓表面滾壓制備的純銅樣品厚度方向截面的低倍電子通道襯度像。白色虛線標志樣品表面
圖2. 高壓表面滾壓制備的純銅樣品的在不同深度的EBSD取向圖。(a) 0-300 μm, (b) 300-600 μm, (c) 600-1200 μm, 和 (d) > 1200。白色虛線表示樣品表面，黑色表示未標定點，主要為晶界
圖3. 由圖二的EBSD數據生成的在不同深度區域的{111}極圖圖4. 表面機械研磨制備的鎳基高溫合金板材最表層顯微組織結構的PED取向圖及其{111}極圖。表征區域內的PED花樣，表明在樣品厚度方向上存在形變孿晶。圖5. 電子束穿透方向上的晶粒重疊可能導致的幾種形式的PED電子衍射花樣，重疊花樣給取向標定帶來了困難。圖中紅色晶粒表示可以標定取向的晶粒，藍色晶粒代表不能標定取向的晶粒圖6. (a)島嶼狀納米金顆粒的透射電鏡明場像以及(b)重構得到的三維取向圖；(c)圖為(b)中紅色框中區域的放大圖；(d)為三維取向成像圖中的5個不同截面，其位置分別對應與圖(b)中的白色虛線圖7. (a)島狀納米金顆粒等球半徑（ESR）以及(b)島內晶粒的等球半徑的分布直方圖；(c)單個顆粒內的晶粒個數與島狀納米金顆粒的等效球體半徑的關系圖9. 島狀納米金顆粒中晶界取向差角的分布圖。插圖分別為晶界取向差角為40°和60°的取向差轉軸的分布圖本文中，作者通過表面塑性變形材料中的微觀組織梯度與織構梯度，展示了EBSD技術和PED技術在獲取二維取向圖中存在不足和面臨的挑戰。一方面，EBSD技術雖然已得到顯著的發展，但表征材料與電子束的作用體積限制了其20-50納米的分辨率，這種精度的分辨率是不足以表征微納梯度金屬最表層的納米晶粒。
另一方面，PED技術的分辨率雖然能夠達到幾納米，但該技術在這個分辨率下無法區分和識別由于在電子束方向上重疊晶粒所導致的多重重疊的衍射花樣。基于透射電子顯微鏡的二維暗場圓錐掃描技術和基于掃描電子顯微鏡的透射式電子背散射衍射（t-EBSD）技術也存在類似的問題。進而，作者介紹了對3D-OMiTEM技術的改進及優化，并利用該技術，選取1 nm的空間分辨率，對1024 × 1024 × 200 nm3體積的納米金顆粒薄膜的三維形貌特征及三維晶體學特征進行了重構，并分析了島狀納米金顆粒及顆粒中晶粒的三維形貌及取向數據。重構得到的最小晶粒尺寸為3.4 nm，也驗證了該技術較高的空間分辨率。在一些島狀顆粒中晶粒貫穿了整個薄膜的厚度，而另一些島狀顆粒中在厚度方向上存在多個晶粒，這也進一步展示了在納米尺度上對材料進行三維重構的必要性。重構三維取向圖還顯示，晶粒在樣品厚度方向上存在一定比例的拉長，產生這種拉長效應的部分原因是樣品桿有限的傾轉角度導致的損失楔效應。為了更加精確地描述納米晶粒在三維空間中的幾何學形貌，使用傾轉角度更大的樣品桿進行數據采集就顯得十分重要，這將是今后要開展的工作。主要從事金屬結構材料和先進表征技術的研究，領導或參與了多項開拓性研究課題，在基礎科學研究和表征技術開發兩個領域都取得了重要突破。在金屬結構材料尤其是納米金屬研究方面，通過與國內外研究團隊的合作和先進表征技術的利用，發現和解釋了納米金屬所呈現的一些與常規金屬不同的強韌化現象，多項代表性成果發表在了Science 和Nature上 （Science 312 (2006), 249-251）；Science 323 (2009), 607-610）；Nature, 463 (2010), 335-338）；Nature, 579 (2020), 67-72）。在表征技術方面，參與開發了世界首臺三維X射線衍射（3D-XRD）顯微鏡，并首次通過3D-XRD顯微鏡原位觀察了三維塊體形變金屬內部形成的再結晶晶粒的長大和界面遷移過程（Science, 305(2004), 229-232）；領導研發了透射電子顯微鏡三維取向成像技術（3D-OMiTEM），空間分辨率達1 nm（Science, 332 (2011), 833-834），該成果被美國材料研究學會選為 2011年材料科學領域十大亮點之一，并且獲得2012 Microscopy Today創新獎。黃曉旭教授研究團隊部分成員和團隊基于常規透射電子顯微電鏡改造的兼具三維晶體取向重構與三維衍射像重構功能的三維透射電子顯微鏡Guilin Wu, et al. 2D and 3D orientation mapping in nanostructured metals: A review. Nano Materials Science, 2020.https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2020.03.006Nano Materials Science：2019年3月創刊，重慶大學主辦，香港城市大學呂堅院士任主編，20個國家132名頂尖科學家任編委，其中院士17位，24位編委入選2020科睿唯安高被引學者。ScienceDirect全文開放獲取，旨在搭建納米材料科學學術交流平臺，主要關注納米結構材料和納米功能材料的制備與加工、材料基因表征、材料性能評價及應用，以及納米器件的設計、制備、加工、評價及應用等方面最新研究成果。刊發成果已被60個國家及地區和245種SCIE期刊引用報道，篇均引用7.78次。
